Zwarte gaten kunnen hun eigen exotische versie van druk hebben die verschilt van de druk die we elders in het heelal aantreffen.
De vraag hoe quantummechanica en zwaartekracht bij elkaar passen, is een van de grootste mysteries in de moderne natuurkunde, en de rand van een zwart gat is een van de weinige regio’s met voldoende extreme omstandigheden om de effecten van beide tegelijkertijd relevant te maken. Natuurkundige Xavier Calmet en natuur- en wiskundige Folkert Kuipers van de Universiteit van Sussex in Engeland gebruikten een raamwerk dat quantumveldentheorie wordt genoemd om te onderzoeken wat er gebeurt als quantummechanica en zwaartekracht elkaar ontmoeten aan de rand van een zwart gat.
Temperatuur én druk
Calmet en Kuipers berekenden welke effecten minuscule quantumfluctuaties zouden creëren waar onze standaard zwaartekrachtvergelijkingen geen rekening mee houden. Deze berekeningen onthulden een verrassende variabele, die lijkt te suggereren dat fluctuaties van quantumdeeltjes aan de rand van een zwart gat dat gat een druk zouden moeten geven.
‘Dat was volledig onverwacht’, zegt Calmet. Toen zwarte gaten voor het eerst werden opgevoerd, dachten natuurkundigen dat ze extreem eenvoudig moesten zijn. Later werk van natuurkundige Stephen Hawking en anderen toonde aan dat ze deeltjes uitzenden in een proces dat nu bekend staat als hawkingstraling, wat betekent dat ze een temperatuur moeten hebben. Dat was op zich al een verrassing. Nu betekent de toevoeging van druk dat zwarte gaten nog ingewikkelder zijn, zegt Calmet.
Virtuele deeltjes
De onderzoekers zijn er echter nog niet achter wat deze druk in fysieke zin zou kunnen betekenen. Het alledaagse concept van druk houdt in dat moleculen tegen een object duwen en er weer vanaf stuiteren. De rand, of waarnemingshorizon, van een zwart gat is echter bijna leeg, dus er is niet veel om tegen te duwen.
‘De bron van deze druk moet 100 procent quantumfluctuaties zijn’, zegt natuurkundige Stephen Hsu van Michigan State University. Quantumfluctuaties creëren virtuele deeltjes, die in theorie de druk zouden kunnen veroorzaken. ‘Het is niet het soort druk dat we gewend zijn’, zegt Hsu.
Lekkende ballon
Als je je de waarnemingshorizon van een zwart gat voorstelt als een ballon, komt de druk niet van binnen of van buiten, maar vanuit het materiaal van de ballon zelf. ‘Je kunt je de horizon voorstellen als een heel eigenaardig oppervlak’, zegt theoretisch natuurkundige Roberto Casadio van de Universiteit van Bologna in Italië. ‘De druk duwt dat naar binnen als hij negatief is, of naar buiten als hij positief is. En dat komt respectievelijk overeen met een afname of een toename van de massa van het zwarte gat
De onderzoekers ontdekten dat de druk negatief was. Die komt dus overeen met een zwart gat dat na verloop van tijd krimpt, als een lekkende ballon. Dit strookt met ander werk dat suggereert dat zwarte gaten kleiner worden naarmate ze hawkingstraling uitzenden. De twee fenomenen kunnen verband houden, maar of dat zo is, is op dit moment onduidelijk.
Quantumzwaartekracht
Het kan lang duren voordat we erachter zijn waar deze druk precies vandaan komt en wat de gevolgen zijn voor ons begrip van zwarte gaten, zegt Hsu. Maar omdat het verschijnsel afkomstig is van quantumfluctuaties, kan het een stap zijn in de richting van het begrijpen van quantumzwaartekracht.
‘Elke nieuwe functie die we ontdekken over zwarte gaten op quantumniveau kan ons aanwijzingen geven over hoe zwaartekracht en quantummechanica kunnen worden samengevoegd, en welke kenmerken deze onderliggende theorie moet hebben’, zegt Calmet.
