Waarom vinden astronomen opvallend veel zwarte gaten met dezelfde massa, ongeveer dertig keer de massa van de zon? Huidige theorieën geven er geen reden voor. Natuurkundige Hooman Davoudiasl bedacht daarom een speculatief idee. Hij stelt dat deze zwarte gaten kort na de oerknal zijn ontstaan, toen bepaalde deeltjes lichter waren dan nu.
Sinds 2016 kunnen natuurkundigen ‘meekijken’ hoe zwarte gaten ver in de kosmos naar elkaar toe bewegen en samensmelten. Daarvoor gebruiken zij de zwaartekrachtsgolvendetectoren LIGO en Virgo. Deze apparaten geven een seintje als er na een gewelddadige zwarte-gaten-botsing een schokgolf door de ruimtetijd rolt.
Virgo en LIGO’s metingen kunnen kosmische mysteries oplossen, maar ze leiden ook tot nieuwe vragen. Een daarvan luidt: waarom hebben de meeste zwarte gaten die natuurkundigen op deze manier ontdekken min of meer dezelfde massa? Als de metingen van LIGO en Virgo kloppen, bestaan er opvallend veel zwarte gaten die dertig keer zo zwaar zijn als de zon.
Mogelijk is dat een logisch gevolg van de manier waarop sterren evolueren – een proces dat astronomen nog niet tot in de puntjes hebben doorgrond. Maar theoretisch fysicus Hooman Davoudiasl van het Brookhaven National Laboratory in New York oppert een andere oplossing. Hij stelt dat de ‘typische dertigers’ misschien primordiale zwarte gaten zijn: zwarte gaten die kort na de oerknal zijn gevormd.
Klonters in de deeltjessoep
‘Het is nog een vraag hoe deze objecten in het vroege universum zouden kunnen zijn ontstaan’, zegt Davoudiasl op phys.org. De gebruikelijke aanname is dat primordiale zwarte gaten vormden bij een faseovergang. De bekendste huis-tuin-en-keuken-faseovergangen zijn het verdampen van water en het smelten van ijs. Op de schaal van het universum ziet een faseovergang er iets anders uit. Het vroege heelal bevatte een hete soep van deeltjes, het zogeheten quark-gluonplasma. Toen het universum uitzette en afkoelde, vond een faseovergang plaats: de soep begon samen te klonteren tot protonen en neutronen.
Dat samenklonteren zou tot zwarte gaten kunnen leiden, maar alleen als deze faseovergang heel plotseling is gebeurd. En dat is een probleem. Volgens de standaardtheorie die beschrijft hoe deeltjes zich gedragen, kon zo’n plotse overgang namelijk onmogelijk plaatsvinden. Bovendien zouden de zwarte gaten die zo ontstaan ongeveer zo zwaar zijn als de zon – niet dertig keer zo zwaar.
Quark light
Dat wil niet zeggen dat natuurkundigen het idee van primordiale zwarte gaten in de prullenbak moeten gooien. Het is niet zeker hoe het vroege universum eruit zag, dus fysici kunnen verschillende aannames in hun berekeningen en simulaties stoppen om te kijken hoe het heelal zich onder verschillende omstandigheden ontwikkelt. Davoudiasl deed precies dat: hij nam aan dat quarks, de ondeelbare deeltjes waaruit materiedeeltjes bestaan, vroeger lichter waren dan nu.
Theoretici zijn het erover eens dat een plotse faseovergang in het vroege heelal mogelijk is als er drie of meer superlichte quarks bestaan. In werkelijkheid kennen deeltjesfysici zes type quarks waarvan er slechts twee (de zogeheten up- en downquark) licht genoeg zijn om aan die eis te voldoen. Davoudiasl nam aan dat alle zes de quarks vroeger lichter waren – licht genoeg voor een abrupte faseovergang – en sloeg aan het rekenen. Uit die berekeningen blijkt dat een faseovergang met lichte quarks leidt tot primordiale zwarte gaten met massa’s die overeenkomen met wat natuurkundigen vandaag de dag meten.
‘In mijn voorstel krijgen de quarks later pas de massa’s die we vandaag observeren’, zegt Davoudiasl. ‘Interessant is dat het verhogen van het aantal lichte quarks ertoe leidt dat de massa’s van de geproduceerde primordiale zwarte gaten groter zijn, wat overeenkomt met wat LIGO en Virgo observeren.’
Volgens Marcel Merk, natuurkundige aan het Nederlandse deeltjesfysica-instituut Nikhef, wijkt Davoudiasl hierin af van de geaccepteerde theorie. ‘Het gebruikelijke idee is dat de quarks vroeg hun massa krijgen, 0,01 nanoseconde na de big bang. De primordiale zwarte gaten vormen veel later pas: ongeveer een seconde na de oerknal. Dat is een factor 100 miljard verschil’, zegt hij. ‘De up- en downquark kunnen wel als massaloos worden gezien, maar voor de zwaardere strangequark wordt dat al moeilijk, en voor de charm-, bottom- en topquark geldt dat zeker niet.’
Donkere-materie-kandidaat
Om te verklaren waardoor de quarks pas later hun massa krijgen, introduceert Davoudiasl een hypothetisch energieveld en een bijhorend deeltje. Net zoals het higgsveld alle andere deeltjes beïnvloedt op zo’n manier dat ze massa krijgen, beïnvloedt het hypothetische veld van Davoudiasl quarks op een manier die hun massa bepaalt. Het veld onderdrukt de massa’s tot het moment dat de faseovergang plaatsvindt en laat daarna toe dat ze groeien.
Davoudiasl wijst erop dat de eigenschappen van dit hypothetische deeltje overeenkomen met de eigenschappen van donkere materie – een mysterieus goedje waar het heelal vol mee zit, maar dat astronomen niet weten te vinden. Hij stelt dus dat zijn model ook nog eens een donkere-materie-kandidaat opwerpt.
‘Een deeltje introduceren, dat doen theoretisch natuurkundigen vaak bij een nieuw idee. Het is dus behoorlijk speculatief, maar niet veel wilder dan andere scenario’s die bedacht worden om grote vragen op te lossen zoals die rond donkere materie’, zegt Merk. ‘Ik vind het een geinig idee, maar pas als we zwaartekrachtsgolven detecteren die duidelijk van primordiale zwarte gaten afkomstig zijn, kunnen we gaan zien of dit model de moeite waard is.’
Davoudiasl publiceerde zijn voorstel in het wetenschappelijk tijdschrift Physical Review Letters.
