Hawking’s zwart gat theorema voor het eerst observationeel bevestigd

Impressie van twee zwarte gaten die samensmelten. Credit: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project. Courtesy of LIGO

In 1971 kwam Stephen Hawking in dit artikel met zijn theorema van zwarte gaten, drie jaar voordat hij verdampende zwarte gaten opperde (dat laatste is feitelijk een gevolgtrekking van z’n theorema). Het theorema, dat ook wel bekend staat als de tweede wet van de zwarte gaten mechanica, stelt dat het oppervlak van de waarnemingshorizon van zwarte gaten met het verstrijken van de tijd niet kleiner kan worden. En nu, precies vijftig jaar na dato, komen wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) met de eerste waarneming en bevestiging van Hawking’s theorema. Maximiliano Isi en z’n team keken daarvoor naar de zwaartekrachtgolven van GW150914, welke in 2015 werden waargenomen door de LIGO detectoren in de VS. Die zwaartekrachtgolven – rimpels in de ruimtetijd – werden veroorzaakt door de botsing en samensmelting van twee zware zwarte gaten. Volgens het theorema zou het zwarte gat dat door de botsing ontstond een waarnemingshorizon moeten hebben die niet kleiner is dan het totale oppervlak van de waarnemingshorizonnen van de twee zwarte gaten die botsten. Met een zekerheid van 95% kon men inderdaad vaststellen dat het oppervlak van de waarnemingshorizon van het gevormde zwart gat niet kleiner was dan dat van de twee afzonderlijke opppervlaktes van de waarnemingshorizonnen.

Zwaartekrachtgolf GW150914 . Credit: B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)

Om dat te kunnen doen pasten Isi en z’n team een nieuwe techniek toe, waarmee het signaal van de zwaartekrachtgolf op z’n piekmoment kan worden ontrafeld  in specifieke tonen of frekwenties – hierboven zie je dat signaal. Daarmee was men in staat de massa en spin van de zwarte gaten te bepalen en daarmee kan weer de oppervlakte van de waarnemingshorizon worden vastgesteld. In het geval van het signaal van GW150914 was men in staat om het zowel vóór het piekmoment te doen, toen er nog twee afzonderlijke zwarte gaten waren, als ná het piekmoment, toen er nog maar één nieuw zwart gat was. De totale oppervlakte van de waarnemingshorizon van de twee zwarte gaten voor de samensmelting bleek 235.000 km² te zijn, dat van het nieuwe, pas gevormde zwarte gat was 367.000 km². Hier het vakartikel van Isi et al over de waarnemingen aan GW150914 en de bevestiging van Hawking’s theorema, verschenen in Physical Review Letters. Bron: MIT.

De informatieparadox van zwarte gaten lijkt opgelost, maar de oplossing is opzienbarend

Credit: NASA

Een al vijf decennia durende discussie over zwarte gaten lijkt aan het einde te zijn gekomen: recent theoretisch onderzoek aan zwarte gaten lijkt er op te wijzen dat zwarte gaten wel degelijk informatie naar buiten kunnen brengen over hetgeen bij hen naar binnen is gevallen. En daarmee lijkt er een oplossing te zijn voor deze zogeheten informatieparadox. Maar daar is wel een opzienbarende theorie voor nodig, waaruit onder meer blijkt dat de ruimtetijd in een zwart gat op een gegeven moment uit elkaar lijkt te vallen, iets wat er op wijst dat de ruimtetijd niet de fundamentele bodem van de realiteit is, maar dat het een opkomende, ‘emergente’ structuur is uit iets diepers.

De informatieparadox van zwarte gaten
Wat gebeurt er met de informatie, bijvoorbeeld informatie over de massa, samenstelling en dichtheid van de ster wiens kern na een supernova-explosie tot zwart gat ineenkromp. Blijft die informatie ook bínnen de waarneemhorizon ergens bestaan? De tweede wet van de thermodynamica zegt dat met de tijd de entropie van een systeem toeneemt – in termen van informatie: de benodigde informatie om een systeem te beschrijven kan niet afnemen (de ‘Wet van behoud van informatie’). Maar bij een zwart gat lijkt die entropie en daarmee de hoeveelheid informatie juist af te nemen, dus tegenstrijdig aan de tweede wet van de thermodynamica.

Is de informatieparadox nu opgelost? Credit: APS/Alan Stonebraker

Dé twee natuurkundigen die al sinds de jaren tachtig met elkaar debatteerden over de informatieparadox waren Stephen Hawking en Don Page. Hawking had al in 1974 berekend dat zwarte gaten deeltjes kunnen lekken, de beroemde Hawking-straling van verdampende zwarte gaten. Die straling is chaotisch, ongestructureerd en zegt daarmee niets over over de massa die in het zwarte gat is gevallen, het biedt geen informatie daarover. Tóch bestond er wel degelijk een link tussen de materie in het zwarte gat en de straling die ‘ie uitzond, zo ontdekte men in de jaren tachtig: er was een verbinding door kwantum verstrengeling. Met de verstrengelingsentropie werd weergegeven hoe sterk die verbinding was. En daarover verschilden Hawking en Page van mening. En zwart gat heeft aan het begin van z’n leven geen verstrengelingsentropie, want hij heeft dan nog niets uitgestraald en dus is er nog geen kwantum verstrengeling tussen de materie in het zwarte gat en de straling, dáár waren Hawking en Page het over eens. Maar over het vervolg verschilden ze van mening: Hawking dacht dat de entropie gedurende de levensduur van een zwart gat zou toenemen. Page daarentegen zei dat het aan het einde van de levensduur van een zwart gat weer nul moest zijn, omdat er dan geen zwart gat meer is. Er moest dus ergens gedurende die levensduur een punt zijn dat de entropie weer ging dalen tot dat nulpunt (zie de afbeelding hieronder).

Evolutie van de verstrengelingsentropie (S) van een zwart gat. Credit: Erik Verlinde.

Dát moment dat de verstrengelingsentropie van het zwarte gat begint te dalen wordt de ‘Page tijd’ genoemd. Dat moment zou ergens halverwege de levensduur van een zwart gat moeten liggen. Maar ja, de grote vraag is dan wat er voor zorgt dat die kanteling plaatsvindt, dat de entropie gaat dalen in plaats van toenemen. Lange tijd werd gedacht dat alleen een theorie van kwantum gravitatie, de heilige graal van een combinatie van kwantummechanika en relativiteitstheorie, daar een oplossing voor zou kunnen bieden, maar recent onderzoek van de laatste tijd laat zien dat ook ‘semiklassieke’ benadering volstaat en dat de entropie niet de Hawking-curve volgt, maar de Page-curve, een omgekeerde V.

Credit: Gustavo Ackles/Pixabay.

In dat theoretische werk wordt het heelal opgevat als een soort van sneeuwbol, zo’n bol met sneeuwvlokken die je met kerstmis op de schoorsteenmantel zet. Ons heelal zit in die bol en alles in het heelal heeft een connectie met de rand, de buitenkant, iets wat de ‘AdS/CFT’ dualiteit wordt genoemd, iets dat bedacht is door Juan Maldacena. Die kwam in 1997 met de stelling dat er een verband is tussen Anti-de Sitter (AdS) ruimte en Conformal Field Theory (CFT) – sorry voor alle ingewikkelde termen, ’t is even niet anders. Anti-de Sitter ruimte is een wiskundige beschrijving van ruimte, eigenlijk van de geometrie ervan, genoemd naar onze landgenoot Willem de Sitter. AdS is eigenlijk de beschrijving van de zwaartekracht en de invloed ervan op de ruimte, dus van relativiteit. De Conformal Field Theory is een vorm van veldtheorie, die beschrijft hoe een veld – zoals een elektrisch veld – kan veranderen in de ruimte en tijd. Het ‘conformal’ in de benaming slaat op de eigenschappen van het veld, die behouden blijven, ook al verandert de schaal. Hieronder een video om dit alles wat te verhelderen.

Om precies te weten te komen hoe de curve van de verstrengelingsentropie verloopt gingen natuurkundigen kijken naar de dualiteit tussen de inhoud van de bol en de rand ervan. De sleutel daarvoor bleek te liggen in iets dat ze een ‘kwantum extremal oppervlak’ (Engels: quantum extremal surface, QES) noemen, een soort van zeepbel die in de sneeuwbol oppopt. In dit geval werd niet het heelal als een sneeuwbol opgevat, maar één enkel zwart gat, met de waarnemingshorizon als de buitenkant. De berekeningen laten zien dat er in het zwarte gat op een gegeven moment zo’n kwantum extremal oppervlak ‘materialiseert’ en dat die een soort van faseovergang inluidt, vergelijkbaar met een thermodynamische overgang van bijvoorbeeld vloeibaar in vast (water in ijs). Het ontstane kwantum extremal oppervlak zorgt voor een daling van de verstrengelingsentropie. En die daling zorgt er op haar beurt voor dat het zwarte gat via z’n waarnemingshorizon toch informatie lekt, in een soort van versleutelde vorm. Verder blijkt – en dat is wellicht het meest bizarre van deze theorie – dat de materie binnen het kwantum extremal oppervlak géén deel meer uitmaakt van het zwarte gat, maar dat het deel is van de Hawkingstraling! De materie bevindt zich weliswaar in het zwarte gat, maar maakt er geen deel meer van uit. De natuurkundigen noemen dit ‘binnenste deel’ van de Hawkingstraling het ‘eiland’, een kwantum extremal eiland.

De straling die uit het zwarte gat komt bevat dus informatie over de materie binnen het zwarte gat, informatie die op de een of andere manier versleuteld is. Aan die versleuteling heeft men ook gerekend. Het idee is dat een kwantumcomputer die straling, welke kwantum verstrengeld is met de materie in het zwarte gat, zou kunnen opvangen en dan een soort simulatie van het zwarte gat zou kunnen maken. Het zwarte gat en de computer zouden dan ook verstrengeld zijn en de connectie tussen die twee zou bestaan uit… een wormgat – há, nog zo’n bizarre consequentie. Die kwantumverstrengeling tussen zwart gat en computer is wat natuurkundigen ‘nonlokaliteit’ noemen, de twee zouden ieder aan één kant van het heelal kunnen staan en toch direct contact kunnen hebben. Dit lijkt er op te wijzen dat de ruimtetijd niet de fundamentele bodem van de realiteit is, maar dat het opkomt uit een onderliggende, diepere structuur, iets dat niet ruimtelijk of tijdelijk is, een ‘emergente ruimtetijd’. Zoiets vergelijkbaars heeft ook Erik Verlinde met z’n emergente, entropische zwaartekracht, die volgens hem geen structurele natuurkracht is, maar die opkomt vanuit de kwantumverstrengeling van kleine bits informatie van ruimtetijd.

Details van bovenstaande theorieën zijn terug te vinden in talloze artikelen die afgelopen jaren op de ArXiv zijn verschenen. In de bron staan links naar veel van deze artikelen. Bron: Quanta Magazine.

Zwarte gaten op een elektronische chip

Credit afbeelding: “Universiteit Utrecht”.

Theoretische natuurkundigen hebben een manier gevonden om een zwart gat te simuleren op een elektronische chip. Dat maakt het mogelijk om de fundamentele aspecten van zwarte gaten te bestuderen in een laboratorium op aarde. Bovendien kan het achterliggende onderzoek bijdragen aan kwantumtechnologieën. “Het is nu nog puur theoretisch,” vertelt Rembert Duine (Universiteit Utrecht/TU Eindhoven), “maar het is wel een voorstel waarvan alle experimentele ingrediënten er al zijn. Binnen één of twee jaar kan dit in een lab gaan gebeuren.” De onderzoekers publiceren hun resultaten in Physical Review Letters op 1 februari 2017.

Zwarte gaten in de ruimte zijn zo massief dat voorbij een point of no return, ook wel waarnemingshorizon genoemd, niets meer aan hun zwaartekracht kan ontsnappen. De onderzoekers hebben nu ontdekt hoe je zo’n point of no return kunt maken voor spingolven, fluctuaties die zich voortbewegen in magnetische materialen. Als een elektrische stroom door het materiaal loopt, slepen de elektronen deze spingolven met zich mee. Door zo’n stroom door een draad te geleiden die dik is aan de ene kant en dun aan de andere, stromen de elektronen sneller aan het dunne uiteinde, net zoals water sneller stroomt door een smallere leiding. De stroom van elektronen aan de dunne kant van de draad kan zo snel gaan dat de meegesleepte spingolven niet meer terug kunnen stromen. Het punt op de draad waar dit gebeurt is een point of no return – en dus een waarnemingshorizon van een zwart gat – voor de spingolven.

Normale omstandigheden

Er is wel al eerder onderzoek gedaan naar points of no return in andere typen systemen, maar nog niet eerder op elektronische chips. “Het bekendste experiment is met golven in een bak stromend water”, vertelt Duine. “Maar daar kun je geen kwantummechanica mee doen. Er zijn recent ook experimenten gedaan met Bose-Einsteincondensaten, maar die werken alleen vlakbij het absolute nulpunt. De aardigheid van ons voorstel is dat het uiteindelijk onder normale omstandigheden zou moeten werken.”

Hawkingstraling buiten de waarnemingshorizon van zwarte gaten. Credit: eurekasparks.org

Hawkingstraling

Overal in het universum verschijnen en verdwijnen er constant paren van deeltjes en antideeltjes. Als dat gebeurt in de buurt van een zwart gat, gebeurt het soms dat het ene deeltje opgeslokt wordt door het zwarte gat, terwijl het andere deeltje ontsnapt en wegstraalt. Deze zogenaamde Hawkingstraling is zo zwak dat deze bijna niet waar te nemen is in de ruimte. Door een zwart gat op een elektronische chip te simuleren, is het mogelijk om de straling te bestuderen onder hogere temperatuur, waardoor de straling makkelijker waarneembaar wordt.

Kwantumverstrengeling en kwantumcomputers

De paren van deeltjes die Hawkingstraling veroorzaken zijn kwantummechanisch verstrengeld: hun eigenschappen hangen zo nauw samen dat het niet mogelijk is het resulterende gedrag te beschrijven met klassieke natuurkunde. Verstrengeling is een van de belangrijkste elementen van kwantumtechnologieën, zoals kwantumcomputers. “Met dit onderzoek kunnen we verstrengelde paren van spingolven maken die zich aan de twee kanten van een point of no return bevinden”, vertelt Duine. “En omdat we zwarte gaten op chips bouwen, kunnen we die kwantumverstrengeling inzetten in elektronische toepassingen.” Bron: UU.

Magneetvelden waargenomen vlak bij het zwarte gat in de Melkweg

In deze artistieke impressie is het zwarte gat in het centrum van de Melkweg omgeven door een hete schijf accretieschijf. Blauwe lijnen traceren magneetvelden. De Event Horizon Telescope heeft deze magneetvelden voor het eerst gemeten. De lijnen in de schijf zien eruit als verstrengelde spaghetti. De EHT vond ook gebieden waar het patroon gestructureerder is, mogelijk de plaatsen waar de jets worden aangedreven (de gele stroom). Credit: CfA/M. Weiss.

Astronomen hebben met de Event Horizon Telescope voor het eerst magneetvelden waargenomen net buiten de waarnemingshorizon van Sagittarius A*, het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg. Dat magneetvelden een belangrijke rol spelen in het aanjagen van superzware zwarte gaten wordt voorspeld door de theorie, maar was niet eerder met waarnemingen bevestigd. Energie van invallende materie wordt omgezet in straling die helderder is dan het gecombineerde licht van alle omringende sterren. Magneetvelden spelen met name een rol in de vorming van enorme vuurtorenachtige stralingsbundels. “Voor het begrip van dit proces zijn magneetvelden ontzettend belangrijk, maar het was niet eerder mogelijk om ze zo dicht bij een zwart gat waar te nemen”, zegt eerste auteur Michael Johnson (Harvard-CfA, VS). “Onze waarnemingen vormen een bevestiging van tientallen jaren theoretisch werk”, voegt projectleider Shep Doeleman (Harvard) toe. Aan het onderzoek werkten ook twee Nederlandse astronomen mee: Christiaan Brinkerink (Radboud Universiteit) en Remo Tilanus (Universiteit Leiden). Het onderzoeksresultaat verschijnt vrijdag 4 december in Science.De superzware zwarte gaten in de kernen van melkwegstelsels zijn een soort kosmische stralingsgeneratoren: ze zetten invallende materie om in intense straling. Als zo’n zwart gat ook nog eens om zijn as draait, kan het krachtige stralingsbundels genereren die duizenden lichtjaren ver reiken. Zwarte gaten zijn de meest compact objecten in het universum. Sagittarius A* (ofwel Sgr A) heeft een massa van vier miljoen zonnen, terwijl de waarnemingshorizon (het punt waarachter niets meer aan het zwarte gat kan ontsnappen, zelfs geen licht) nog geen 13 miljoen km overbrugt, minder dan 10 keer de diameter van de zon.Door de lineaire polarisatie van het licht op een golflengte van 1,3 mm te meten kwamen de onderzoekers de structuur van het magneetveld op het spoor. Op aarde wordt licht lineair gepolariseerd door reflecties (zonnebrillen blokkeren op deze manier verblindend licht), maar in het geval van Sgr A wordt gepolariseerd licht uitgezonden door elektronen die rond magnetische veldlijnen spiralen. Via polarisatie wordt de structuur van het magnetisch veld in kaart gebracht.

Sgr A* en bovenaan in de ellipsen twee lichtecho’s van een uitbarsting die recent moet hebben plaatsgevonden. Credit: NASA.

Sgr A* wordt omgeven door een accretieschijf van materiaal. Het onderzoeksteam ontdekte in sommige gebieden in de buurt van het zwarte gat een verstrengelde warboel aan lijnen en lussen terwijl het magneetveld elders een veel georganiseerder patroon laat zien. Coauteur Brinkerink: “Mogelijk is dat laatste het gebied waar de jets worden aangedreven.” De magneetvelden blijken bovendien op heel korte tijdschalen (van zo’n 15 minuten) te fluctueren. “Het galactisch centrum is dus dus echt veel dynamischer dan we dachten en met dit onderzoeksresultaat komen we weer een stap dichter bij het doorgronden van de directe omgeving van een zwart gat.” De nog in ontwikkeling zijnde Event Horizon Telescope (EHT) is het enige instrument met de benodigde resolutie voor dit soort waarnemingen, te vergelijken met het fotograferen van een appel op de maan. De EHT bestaat uit een netwerk van gekoppelde radiotelescopen dat functioneert als een enkele telescoop ter grootte van de aarde.De waarnemingen vormen een van de eerste resultaten van de EHT, waarmee astronomen uiteindelijk de eerste opname willen maken van de waarnemingshorizon van een zwart gat. Coauteur Tilanus: “Binnen twee tot drie jaar verwachten we de eerste waarneming van Sgr A* te kunnen doen die ons daadwerkelijk een zwart gat zal laten zien: een object dat een fundamentele consequentie is van de Algemene Relativiteitstheorie van Albert Einstein, maar dat tot op heden slechts indirect is waargenomen.” Brinkerink en Tilanus maken deel uit van het team van Radboud-astronoom Heino Falcke, die van de Europese Onderzoeksraad (ERC) een Synergy Grant heeft gekregen voor het BlackHoleCam-project. Dit project zal onderdeel worden van het gezamenlijke, wereldwijde EHT-consortium dat momenteel wordt gevormd. Bron: Astronomie.nl.

Stephen Hawking denkt dat informatie toch uit een zwart gat kan ontsnappen [Update]

Hawking tijdens z’n lezing in het KTH Royal Institute of Technology in Stockholm. Credit: KTH Royal Institute of Technology

Er is momenteel een Zwart Gat-conferentie in het Zweedse Stockholm gaande en gistermiddag hield Stephen Hawking een publiekspresentatie, waarin hij betoogde dat hij een manier heeft gevonden hoe informatie uit de waarnemingshorizon van het zwarte gat kan ontsnappen, de regio waar de ontsnappingssnelheid groter is dan de lichtsnelheid. Basis van Hawking’s nieuwe denken over zwarte gaten is de theorie dat informatie de waarnemingshorizon van een zwart gat niet binnenkomt, maar dat het op een 3D-bol zit in de vorm van ‘supertranslaties’ (Engels: supertranslations), een idee dat hij geleend heeft van Andrew Strominger, die dat op zijn beurt weer heeft van een uit 1962 stammende theorie, geformuleerd door Bondi, Metzner en Sachs (BMS). Materie kan in een zwart gat vallen, maar de kwantum-informatie over de deeltjeseigenschappen blijft op die bol zitten en vormt een soort van hologram van inkomende deeltjes. Hoe hij precies denkt dat ‘dingen’ uit een zwart gat kunnen ontsnappen heeft hij nog niet verteld, maar er schijnt eind september een vakartikel aan te komen samen met onder andere Malcom Perry en Strominger, wat het allemaal zou verklaren. Hawking riep een jaar geleden al dat zwarte gaten helemaal geen vastomlijnde waarnemingshorizon hebben, maar een vage, schijnbare horizon.

Credit: Adam af Ekenstam

Hawking was er duidelijk over en liet zelfs doorschemeren dat niet alleen informatie uit een zwart gat kan ontsnappen: “If you feel you are in a black hole, don’t give up. There’s a way out” zei hij. De kop van het New Scientist-artikel (zie bron) luidt dan ook: “Stephen Hawking says he has a way to escape from a black hole.” Informatie kan volgens Hawking niet alleen in ons heelal tevoorschijn komen, het zou in het geval van grote, roterende zwarte gaten zelfs in een parallel heelal tevoorschijn kunnen komen! We zijn razend benieuwd naar zijn vakartikel hierover met Perry en Strominger! Hieronder de aankondiging van Hawking’s lezing van gisteren.

Bron: New Scientist + Backreaction + KTH. [Update 19.50 uur] Ik kwam nog een video-opname tegen van Hawking’s lezing, hieronder te zien.

Mensen wees gerust, zwarte gaten bestaan gewoon

Credit: Image courtesy of Perimeter Institute.

Gisteren werden we opgeschrikt met het nieuws dat de wiskundige natuurkundige Laura Mersini-Houghton berekeningen heeft gemaakt, waaruit zou blijken dat zwarte gaten onmogelijk kunnen bestaan – voor de hardcore liefhebbers is hier haar artikel, welke nog niet peer-reviewed is. De blog riep direct een stoot reacties op en op andere blogs wereldwijd werd ook volop gediscussieerd over Mersini’s ferme stelling. Hamvraag is natuurlijk: heeft ze gelijk, bestaan zwarte gaten inderdaad niet? Nou mensen, weest gerust, zwarte gaten bestaan wel degelijk. Niet alleen omdat ze talloze malen al waargenomen zijn, in de drie smaken stellair, zoals het binaire stelsel Cygnus X-1 (zie afbeelding hieronder), middelzwaar, zoals M82 X-1, en tenslotte superzwaar, zoals Sgr A* in het centrum van onze eigen Melkweg, maar ook omdat de theoretische onderbouwing broos is.

Impressie van Cynus X-1 en zijn begeleider. Credit: NASA, ESA, Martin Kornmesser

Nee, zwarte gaten zijn niet direct zichtbaar, slechts via de beweging van sterren en gaswolken in hun buurt en met toepassing van de derde wet van Kepler kunnen sterrenkundigen met zekerheid zeggen dat zich daar een massa moet ophouden, die zich wel moet schuilhouden binnen de waarnemingshorizon, de grens waarbinnen zelfs licht niet meer kan ontsnappen omdat daar de ontsnappingssnelheid groter is dan de lichtsnelheid. Sterrenkundigen proberen binnen enkele jaren een zwart gat zelf te fotograferen, d.w.z. de ‘schaduw’ ervan en wel met behulp van de Event Horizon Telescoop.

Voorstelling van een zwart gat met een waarnemingshorizon van ‘zachte haren’. Credit: NASA and M. Weiss (Chandra X -ray Center).

Mersini’s stelling over het niet bestaan van zwarte gaten heeft niets te maken met deze waarnemingen aan zwarte gaten. Het is een zuiver theoretisch verhaal, dat ingaat op de zogenaamde Firewall Paradox van zwarte gaten, een onderwerp dat in januari wereldnieuws werd, toen Stephen Hawking met een nieuwe theorie kwam, die van de schijnbare horizon rondom zwarte gaten. Mersini denkt dat als die firewall inderdaad bestaat de kern van een zware ster die op het punt van imploderen tot een zwart gat staat zoveel Hawkingstraling kan produceren dat de implosie wordt omgekeerd en er alleen een supernova ontstaat, zonder dat er een zwart gat in de kern ontstaat.  Op zich is daar veel voor te zeggen, wiskundig weet Mersini het goed te onderbouwen. Waar het echter mank gaat is dat er helemaal geen firewall is, zoals ik in februari ook al meldde. Natuurkundigen zoals Sabine Hossenfelder en Erik Verlinde hebben namelijk laten zien dat aan de voorwaarden die nodig zijn om zo’n firewall te creëren niet kan worden voldaan, lees die laatste blog voor de details daarover. Dat betekent dat niets de sterkern in de laatste minuten van z’n bestaan kan tegenhouden om te imploderen tot zwart gat. En dat betekent weer dat als je daar per ongeluk in belandt je kan spaghettificeren. Bron: Koberlein + Koberlein.

Ontstond de oerknal uit een ster die ineenklapte tot een zwart gat?

Credit: Image courtesy of Perimeter Institute.

Dat ons heelal 13,8 miljard jaar geleden ontstond uit een oerknal wordt door sterrenkundigen vrij algemeen aanvaard. De vraag is alleen waar de oerknal vandaan kwam en het enige dat men dan kan roepen is dat het begin van de oerknal een singulariteit moet zijn geweest, een staat waarin de temperatuur en dichtheid oneindig hoge waarden hadden en de natuurwetten zoals wij die kennen niet meer golden. Drie wetenschappers van het Canadese Perimeter Instituut (PI) hebben nu een theorie bedacht, die moet verklaren waar de oerknal precies vandaan kwam en die niet uitgaat van een singulariteit. De theorie klinkt absurd, maar volgens Razieh Pourhasan, Niayesh Afshordi en Robert Mann is het allemaal gebaseerd op zeer gedegen wiskundige modellen van ruimte en tijd. Het idee is dat ons heelal een driedimensionaal omhulsel is rondom de vierdimensionale waarnemingshorizon van een zwart gat. De ruimte in ons heelal is driedimensionaal, maar alles begon in een ander heelal met vier ruimtedimensies, waarin een ster ineenstortte tot een zwart gat. De waarnemingshorizon van zwarte gaten in ons heelal is feitelijk tweedimensionaal, de grens aangevend van het ‘point of no return‘. Het zwarte gat in het vierdimensionale heelal had een driedimensionale waarnemingshorizon en net daarbuiten moet ons heelal zijn ontstaan, als een soort van driedimensionale luchtspiegeling (Engels: ‘mirage’). Feitelijk fungeerde het zwart gat daarmee als een soort ‘wit gat’, het omgekeerde van een zwart gat. Het drietal spreekt van een ‘holografisch begin van de oerknal‘. Het hele verhaal is hier te lezen, hier in de augustuseditie van Scientific American en hieronder is een video te zien, waarin het bizarre idee beschreven wordt.

Bron: Science Daily.

Is er wel een ‘firewall paradox’ van zwarte gaten?

Voorstelling van een zwart gat met een accretieschijf en straalstroom vanaf de rotatiepool van het zwarte gat.

Ik heb er al twee Astroblogs aan gewijd (hier en daar), maar ik vrees nog een derde nodig te hebben om helderheid te geven over Stephen Hawking’s opmerkelijke ommezwaai over zwarte gaten. Ik zal niet in herhalingen vallen, dus lees de voorgaande blogs over de waarnemingshorizon van zwarte gaten, de schijnbare horizon van grijze gaten, de informatieparadox, de firewall paradox en het holografische principe. Waar ik nu de focus op wil leggen is de ‘firewall paradox’, die gaat over de consequentie van het informatie lekken en het uiteengaan van de virtuele deeltjesparen nabij de waarnemingshorizon, het beruchte point-of-no-return van het zwarte gat.

Firewall – schroei, schroei, schroei… credit: lordphenix2002 of photobucket.

De kwantum mechanika zegt dat die paren van een deeltje en zijn antideeltje een zogenaamde kwantumverstrengeling hebben, dat wil zeggen dat ze zodanig verbonden zijn, dat het ene deeltje niet meer volledig beschreven kan worden zonder het andere specifiek te noemen – ook al zijn de beide objecten ruimtelijk gescheiden, zelfs al bevinden ze zich elk aan het andere uiteinde van het heelal. Berekeningen van een groepje natuurkundigen onder leiding van Joseph Polchinski (Kavli Instituut) twee jaar jaar geleden lieten zien dat de waarnemingshorizon van een zwart gat weliswaar informatie – quantum-eigenschappen van alles wat in het zwarte gat is gevallen – naar buiten kan brengen, maar dat de consequentie daarvan is dat ‘ie omgeven is door een allesverzengende ‘firewall’. In hun inmiddels geruchtmakende AMPS-artikel – naar de auteurs Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski en James Sully – lieten ze zien dat de volgende drie dingen niet simultaan (tegelijkertijd) kunnen plaatsvinden:

  1. dat de Hawking-straling zich in een zuivere staat bevindt.
  2. dat deze straling in staat is vanaf de waarnemingshorizon informatie naar buiten te brengen.
  3. dat een in het zwarte gat vallende astronaut niets bijzonders ervaart bij de waarnemingshorizon.

De firewall gaf alleen problemen met die genoemde kwantumverstrengeling van de deeltjes – ik zal hier niet op het hoe en waarom ervan ingaan, dat wordt te ingewikkeld – en dat leverde de zogenoemde firewall paradox op. Die was op haar beurt ook weer gerelateerd aan de informatieparadox: er valt informatie in het zwarte gat en die kan er nooit meer uit óf er kan wel informatie uit, maar dat levert dan een firewall op. Zie daar de dubbele paradox waarmee de natuurkundigen worstelen.

Informatie verdwijnt voorgoed in het zwarte gat of het komt er uit en levert een firewall op. Credit: geralt/Pixabay

Het was om deze dubbele paradox op te lossen dat Hawking kwam met het voorstel dat de waarnemingshorizon geen scherp begrensde, eeuwigdurende barriére is, maar een niet scherp begrensde, turbulente laag – een ‘warm bad’ wordt het ook wel genoemd – een schijnbare horizon, van waaruit binnen een eindige periode deeltjes middels de Bekenstein-Hawkingstraling deeltjes kunnen ontsnappen, inclusief informatie vanuit het zwarte gat. Die informatie zou weliswaar chaotisch zijn en niet meer herleidbaar tot de oorspronkelijke informatie die in het zwarte gat ging, maar er kán informatie uitkomen. Een firewall zou ook niet meer nodig zijn en daarmee zouden beide paradoxen opgelost zijn.

Schijnbare horizon (credit: Nature News & Comment).

Talloze blogs van anderen lezende, van experts op dit terrein zoals Sabine Hossenfelder, hebben mij afgelopen dagen duidelijk gemaakt dat Hawking’s theorie behoorlijk rammelt, een theorie die feitelijk niet eens een theorie mag worden genoemd, zoals de natuurkundige Matt Strassler betoogt, vanwege het ontbreken van formules in Hawking’s korte artikel. Het eerste wat rammelt is dat de helft van de blogosfeer nu plotseling roept dat zwarte gaten helemaal niet bestaan, terwijl dat niet is wat Hawking heeft geroepen en wat ook helemaal niet zijn bedoeling was. Het tweede wat rammelt is dat waar het allemaal om draaide – het oplossen van de firewall paradox van zwarte gaten – helemaal niet nodig is, omdat het heel goed zou kunnen dat die  firewall paradox… er helemaal niet is! Yep, je leest het goed. 🙂

Voorstelling van verstrengelde deeltjes. credit: NIST.

Het komt er eigenlijk op neer dat van de drie hierboven genoemde dingen die volgens het AMPS-artikel niet simultaan kunnen plaatsvinden er eentje fout is: berekeningen van de Nederlandse eeneiige tweeling Erik en Herman Verlinde en daarna van Sabine Hossenfelder laten namelijk zien Hawkingstraling zich niet in een zuivere staat bevindt.

Erik en Herman Verlinde bij de Wereld Draait Door

De oorzaak hiervan blijkt te zijn dat deze straling niet ontstaat doordat verstrengelde virtuele deeltjes-antideeltjesparen nabij de waarnemingshorizon uiteen worden gerafeld en de verstrengeling vervolgens wordt verbroken, maar doordat twee paar virtuele verstrengelde deeltjes de Hawkingstraling veroorzaken: het ene verstrengelde paar valt in het zwarte gat en komt niet meer terug, het andere verstrengelde paar ontsnapt uit de wurggreep van het zwarte gat. Dit alles zorgt er voor dat een zwart gat helemaal geen firewall bij z’n waarnemingshorizon heeft en dat Hawking’s poging om die firewall te omzeilen middels een schijnbare horizon helemaal niet nodig was. Bron: Universe Today + Starts with a Bang.

Hawking’s grijze gaten en de informatieparadox

Credit: geralt/Pixabay

Een week geleden was het wereldnieuws dat de beroemde natuurkundige Stephen Hawking van z’n geloof was gevallen en nu van mening was dat zwarte gaten helemaal niet bestaan. Zoals vaker voorkomt wordt de soep niet zo heet gegeten als ‘ie wordt opgediend en was het werkelijk nieuwe aan Hawking’s theorie dat de waarnemingshorizon rondom de singulariteit van het zwarte gat niet scherp begrensd is, maar dat de ‘schijnbare horizon’ een turbulente laag is, van waaruit de naar hem genoemde Hawkingstraling én informatie vanuit het zwarte gat kunnen ontsnappen. Zwarte gaten zijn dus grijs – we moeten ze eigenlijk grijze gaten noemen – maar echt nieuw is dat ook weer niet, want we wisten al dat zwarte gaten langzaam maar zeker straling uitzenden. Daar komt nog bij dat Hawking’s theorie over de schijnbare horizon niet eens een theorie mag worden genoemd, omdat Hawking’s artikel op de arxiv preprint server niet één formule bevat, toch een noodzakelijk iets om het wetenschappelijk verifieerbaar door anderen te maken. Maar los daarvan, het interessante is nu dat Hawking teruggrijpt naar een theorie over informatie die als eerste opgesteld is door de natuurkundige en Nobelprijswinnaar Gerard ’t Hooft en verder is uitgewerkt door zijn collega Erik Verlinde, namelijk het holografische principe.

Het Holografische principe en de informatieparadox

Hawking was tot 2004 van mening – in de beroemde in 1981 begonnen Susskind-Hawking strijd – dat van alles wat in het zwarte gat valt – sterren, astronauten, koelkasten, etc… – de informatie definitief verloren gaat, dat deze niet meer terug te halen valt naar buiten het zwarte gat, naar een waarnemer op een veilige afstand. Met die informatie bedoelen we eigenlijk de informatie die besloten ligt in de kleinste bouwsteentjes van de dingen die in het zwarte gat vallen, in hun kwantumeigenschappen. Ook de in 1975 door Hawking en zijn collega Jacob Bekenstein voorspelde Bekenstein-Hawkingstraling van zwarte gaten – ontstaan door virtuele paren van deeltjes en hun antideeltjes bij de waarnemingshorizon (zie afbeelding hieronder) – bevat geen informatie van de materie die in het zwarte gat is gevallen. En daarmee zou informatie verloren gaan, hetgeen indruist tegen het zeer fundamentele principe: behoud van informatie. Zie daar de informatieparadox van zwarte gaten.

Twee jaar geleden kwamen snaarfysicus Joe Polchinski en zijn collega met een oplossing: er bevindt zich op de waarnemingshorizon een soort van firewall, die ontstaat doordat de verstrengeling tussen de virtuele deeltjesparen verbroken wordt. Daardoor kan de Hawkingstraling wel degelijk informatie bevatten, alleen zorgt de firewall er ook voor dat niets het zwarte gat meer in kan komen. Hawking moet niets van zo’n firewall hebben en om de informatieparadox toch op te lossen haalt hij het holografische principe tevoorschijn, dat ’t Hooft al in 1993 bedacht. Deze stelde toen dat de informatie die in een ruimte is opgesloten ook ‘geprojecteerd’ is op het oppervlak dat die ruimte omsluit. Verlinde heeft dat later gebruikt om er een nieuwe theorie van de zwaartekracht mee te maken. De Amerikaanse natuurkundige Leonard Susskind – yep, die van de ‘Susskind-Hawking Battle’ – werkte het holografische principe in 1995 uit tot een denkbeeldig oppervlak nabij de waarnemingshorizon, dat de informatie bevat van alle materie die er doorheen is gevallen en die gevangen zit in het zwarte gat – zie de afbeelding hieronder.

Credit: Alfred T. Kamajian.

Hawking stelt nu dat zwarte gaten wel degelijk informatie kunnen lekken, namelijk via die schijnbare horizon. Alleen wordt de informatie, voordat deze wordt overgedragen op de Bekenstein-Hawkingstraling, op een ingewikkelde manier in de kolkende chaos door elkaar gehusseld, zodat er voor een buitenstaander letterlijk geen touw meer aan vast te knopen valt. Het grijze gat van Hawking zou omgeven zijn door een soort van ‘warm bad‘, de turbulente zone van de schijnbare horizon. In een vandaag verschenen artikel in NRC-Handelsblad zeggen ’t Hooft en Verlinde blij te zijn met de ommezwaai die Hawking heeft gemaakt, al vinden ze het wel jammer dat in Hawking’s artikel formules ontbreken, die het verhaal ‘hard’ kunnen maken. Bron: NRC-Handelsblad, 1 februari 2014.

Zegt Stephen Hawking nou dat zwarte gaten niet bestaan? Niet dus!

Credit: NASA

Er is nogal wat opschudding ontstaan over een artikel in Nature, dat de titel ‘Stephen Hawking: There are no black holes‘ heeft. De beroemde natuurkundige Hawking, die zoals we weten door de zeldzame neurologische aandoening amyotrofe laterale sclerose aan een rolstoel gekluisterd is, die zou beweren dat zwarte gaten niet bestaan? Hij is toch degene die in 1974 als eerste aantoonde dat zwarte gaten wel degelijk straling kunnen uitzenden, de zogenaamde Hawkingstraling of Bekenstein-Hawkingstraling? Ja klopt, dat was dezelfde Hawking. En nu zouden ze volgens hem opeens niet meer bestaan, die objecten waarvan de ontsnappingssnelheid zo groot is dat zelfs licht niet meer kan ontsnappen? Maar gelukkig wordt de soep niet zo heet gegeten als ze wordt opgediend: Hawking denkt nog steeds dat zwarte gaten bestaan, alleen ziet hun waarnemingshorizon er volgens zijn laatste inzichten anders uit dan men eerst dacht.

De waarnemingshorizon van een zwart gat

Volgens de Algemene Relativiteitstheorie van Albert Einstein is de waarnemingshorizon de grens waar ruimte en tijd zoveel verbogen zijn dat niets daar meer kan ontsnappen, zelfs licht niet, dat de hoogste snelheid in het heelal heeft. Hawking zelf toonde zoals gezegd in 1974 aan dat zwarte gaten toch kunnen ‘verdampen’, doordat paren van deeltjes en antideeltjes er in slagen om één van hun tweetjes richting vrijheid te sturen (zie afbeelding hieronder).

Credit: NAU.

Het probleem waar de Hawkingstraling mee te maken heeft is dat het een soort van ‘firewall’ rondom het zwart gat lijkt te creëren, de deeltjes die erin slagen om uit de wurggreep van het zwarte gat te ontsnappen zouden voorkomen dat andere deeltjes in het zwarte gat vallen en daarmee zouden ze een firewall vormen. Een ander probleem waar de natuurkundigen tot vandaag de dag mee worstelen is de zogenaamde informatieparadox van zwarte gaten: wat gebeurt er met de informatie, bijvoorbeeld informatie over de massa, samenstelling en dichtheid van de ster wiens kern na een supernova-explosie tot zwart gat ineenkromp. Blijft die informatie ook bá¬nnen de waarneemhorizon ergens bestaan? De tweede wet van de thermodynamica zegt dat met de tijd de entropie van een systeem toeneemt – in termen van informatie: de benodigde informatie om een systeem te beschrijven kan niet afnemen. Maar bij een zwart gat lijkt die entropie en daarmee de hoeveelheid informatie juist af te nemen, dus tegenstrijdig aan de tweede wet van de thermodynamica. In een recent gepubliceerd artikel, dat Hawking op de arxiv preprint server plaatste, een tikkeltje vreemd getiteld als “Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes“, komt Hawking met een nieuw voorstel, waarmee hij hoopt de problemen van de firewall en informatie te tackelen.

De schijnbare horizon van een zwart gat

In plaats van de scherp begrensde waarnemingshorizon (zie afbeelding hierboven) komt Hawking met een zogenaamde schijnbare horizon (Engels: ‘apparent horizon’), die zich om het zwarte gat zou bevinden. Die grens zou niet door de oneindige kromming van ruimte en tijd gevormd worden, maar wel door quantumfluctuaties en het resultaat zou een niet scherp begrensde, turbulente laag zijn, waaruit informatie vanuit het zwarte gat kan ontsnappen. De turbulentie zorgt er voor dat de informatie door elkaar wordt gehutst, zodanig dat het niet meer kan worden herkend. Zwarte gaten bestaan volgens Hawking dus wel degelijk, alleen hebben ze een schijnbare horizon in plaats van een waarnemingshorizon. De titel boven het artikel in Nature is wat dat betreft dus nogal misleidend. Ad, bedankt voor het plaatsen van een topic over dit artikel in de Astrocorner! Bron: Nature.com + Universe Today.