In die alternatieve mogelijkheid eindigt de ster als een object dat er even zwart uitziet als een zwart gat, maar in werkelijkheid uit donkere energie bestaat. Dat opent perspectieven om enkele vervelende problemen uit de sterrenkunde op te lossen.

Ontdekkingen in de sterrenkunde danken we steevast aan nieuwe, nog krachtigere telescopen of andere hoogtechnologische meetinstrumenten, waarmee we weer wat verder en scherper in het heelal kunnen kijken. Dat je ook tot nieuwe inzichten kan komen door te sleutelen aan wiskundige vergelijkingen uit de vorige eeuw klinkt bijna te gek voor woorden. Toch is dit precies wat de sterrenkundige Kevin Croker en wiskundige Joel Weiner beweren. 

Beide onderzoekers van de Universiteit van Hawaï – Weiner intussen als emeritus – keken opnieuw naar de friedmannvergelijkingen, genoemd naar de Russische wiskundige Aleksandr Friedmann (1888-1925). Deze wiskundige vergelijkingen vormen een vereenvoudigde, makkelijker hanteerbare versie van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Kosmologen maken er reeds decennialang dankbaar gebruik van om de uitzetting van het heelal te modelleren.

Maar onze beide wetenschappers verwijzen ze nu doodleuk naar de prullenmand. Ze struikelen meer bepaald over de aanname van Friedmann, tot dusver door iedereen als plausibel ervaren, dat het grootschalige – het heelal – en het kleinschalige – de sterren – elkaar niet beïnvloeden. In een publicatie van 28 augustus 2019 tonen ze aan dat dat erg compacte objecten als zwarte gaten of neutronensterren wel degelijk invloed kunnen uitoefenen op de ontwikkeling van het heelal en dat de evolutie van het heelal evenzeer impact heeft op de ontwikkeling van compacte hemellichamen.

Daarom stellen ze gecorrigeerde vergelijkingen voor. En die werpen mogelijk een nieuw licht op de wereld van zwarte gaten en donkere energie.

Zwarte gaten blijven tot de verbeelding spreken. Dat bleek op 10 april 2019 nog maar eens toen de foto van Powehi de wereldpers haalde. Powehi, Hawaïaans voor ‘opgesmukte donkere bron van eindeloze schepping’ verwijst naar het zwart gat in het centrum van het sterrenstelsel M87, waarvan onderzoekers op basis van waarnemingen met acht radiotelescopen de beroemde foto samenstelden. Je kan er nu reeds donder op zeggen dat het alweer bingo zal zijn wanneer wetenschappers ons over een jaar of vijf trakteren op een real-time video van het zwart gat in het centrum ons eigen sterrenstelsel.

Zwarte gaten bevatten dan ook zoveel vreemdheid dat ze meteen ieders fascinatie oproepen. Deze hemellichamen zijn namelijk dermate compact dat niets aan hun zwaartekracht kan ontsnappen. Zelfs licht niet, wat hen van buitenaf gitzwart maakt. Er kan wel van alles invallen. Sommige zwarte gaten slokken hele sterren op. Onlangs nog registreerde de satelliet TESS de nagloed van zo’n aan flarden gereten ster.

Maar wat eenmaal een bepaalde grens rond het zwart gat, de waarnemingshorizon, overschreden heeft, komt er niet meer uit. Alle massa van het zwart gat moet bovendien samengebald zijn in een zogenaamde singulariteit, het ‘gat’. Wat er zich verder precies afspeelt in de krochten van dit bizarre object, valt moeilijk te achterhalen. Omdat er geen licht uit ontsnapt, kunnen we immers niets observeren voorbij die waarnemingshorizon. Zelfs de theorie laat ons in de steek. Einsteins relativiteitstheorie voorspelt dan wel het bestaan van zwarte gaten, maar verliest haar geldigheid naarmate we dichter bij de singulariteit komen. 

Het licht van een ster is opgewekt uit kernfusies in het binnenste van de ster. Maar niet alle energie uit die kernfusies verlaat de ster als straling. Een deel ervan dient om op te boksen tegen de naar binnen gerichte gravitatiekracht. De balans tussen beide houdt de ster stabiel. Maar vroeg of laat bereikt een ster het punt waarop ze haar hele voorraadje brandstof voor kernfusie erdoor gejaagd heeft. De weerstand tegen de inwaartse gravitatie breekt en de ster implodeert. Daarbij kan ze een schokgolf produceren die de buitenste lagen uitstoot en laat oplichten als een planetaire nevel of supernova. 

Finaal blijft er dus enkel een uitgedoofde sterkern over. Voor een ster als onze zon is dit samengebald restant een witte dwerg. Exemplaren waarvan de overgebleven kern een hogere massa heeft, eindigen als neutronenster, terwijl de nog zwaardere instorten tot een zwart gat. 

Naast dit proces van sterevolutie, waarbij de kern van een zware ster instort wanneer de energie uit kernfusies opgebruikt is, moet er nog een ander proces bestaan dat de vorming van zwarte gaten in het vroege heelal verklaart. Daarover is echter veel minder geweten.

Maar het levenseinde van een grote en zware ster zou ook anders kunnen verlopen. Volgens de relativiteitstheorie kunnen dergelijke sterren evenzeer instorten tot iets dat er weliswaar precies zo uitziet als een zwart gat, maar het niet is. In plaats van de singulariteit en waarnemingshorizon die een zwart gat kenmerkt, zou dit soort objecten gevuld zijn met donkere energie. Vandaar hun naam Generic Objects of Dark Energy, kortweg GEODE’s.

Donkere energie is volgens de huidige inzichten met 68% het hoofdbestanddeel in het heelal. De precieze aard ervan ontglipt ons nog, maar het moet een vorm van energie zijn die de zwaartekracht tegenwerkt en verantwoordelijk is voor de versnelde uitdijing van het heelal die in ons septembernummer aan bod kwam.

Tot dusver niets speciaals aan de hand, want de Russische natuurkundige Erast Gliner introduceerde reeds in 1966 de GEODE’s als theoretisch alternatief levenseinde voor zware sterren, helemaal op basis van de friedmannvergelijkingen. De mogelijke doorbraak van ons onderzoeksduo ligt dan ook elders: de instorting van een aantal kernen van superzware sterren tot deze lokale eilandjes van donkere energie volstaat volgens hun berekeningen om de versnelde uitzetting van het heelal te verklaren.

Als dit klopt, hebben ze één van de allergrootste raadsels uit de hedendaagse kosmologie opgelost. En er is nog meer. 

Op 11 februari 2016 steeg hoerageroep op uit de kantoren van sterrenkundigen toen bekend raakte dat zwaartekrachtgolfdetector LIGO in september 2015 de eerste zwaartekrachtgolven gemeten had. We hoorden als het ware de trillingen in de tijdruimte veroorzaakt door een samensmelting van twee zwarte gaten. Zelden was er zo weinig twijfel over welke ontdekking met de Nobelprijs voor Fysica bekroond mocht worden. 

Tegelijk knaagde het echter: de massa van het resulterend nieuw zwart gat ligt veel te hoog. Diverse mogelijke verklaringen zijn intussen reeds voorgesteld. Elk daarvan heeft evenwel iets gekunsteld. Maar wat als de botsende objecten nu eens geen zwarte gaten maar GEODE’s zouden zijn? 

Het kenmerkende in de aanpak van Croker en Weiner is de wederzijdse impact van het lokale en globale. We zagen al hoe het lokale niveau het globale beïnvloedt: de GEODE’s leveren de donkere energie voor de versnelde expansie van het heelal in z’n geheel. In omgekeerde zin zorgt de uitdijing van het heelal er volgens de relativiteitstheorie voor dat de massa van een GEODE (in tegenstelling tot die van een zwart gat) flink toeneemt, louter door het effect van de uitzetting, zonder opslokken van materie. 

In een nieuwe publicatie, ingediend op 7 september 2019, voeren Croker en Weiner aan dat de massa’s van botsende vermeende zwarte gaten, gemeten met LIGO, zich prima laten verklaren als het GEODE’s in plaats van zwarte gaten zijn, zonder ongewone aannames te moeten inroepen. Intussen rijst het vermoeden dat ook Powehi in werkelijkheid een GEODE is.

Illustratie boven: Powehi, het object in het centrum van M87 dat bekend staat als het eerste zwart gat dat gefotografeerd werd, zou in werkelijkheid een GEODE kunnen zijn. De groene binnenkant van de GEODE stelt de donkere energie voor. De afbeelding toont ook een korst (paars), maar die hoeft niet aanwezig te zijn.

Hebben Croker en Weiner goud in handen of zal de toekomst over hen oordelen als ‘verdienstelijke poging, maar helaas’? Ze zijn er zich alleszins van bewust dat het succes van hun claim valt of staat met empirische toetsing. Het stelt hen hoopvol dat hun theorie heel wat gevolgen heeft die je observationeel kan testen. Betere meetapparatuur moet de frequentie van zwaartekrachtgolfdetecties spectaculair doen toenemen in de nabije toekomst. Dat moet leiden tot een nauwkeuriger antwoord op de vraag of het nu GEODE’s of zwarte gaten zijn die we horen botsen. 

En als GEODE’s bestaan, hoe verhouden ze zich dan tot zwarte gaten? Zijn alle vermeende zwarte gaten dan objecten van donkere energie? Dat zou een ander vervelend probleem, dat van de informatieparadox, netjes oplossen. En tevens een onverhoopte triomf betekenen voor George Chapline. Deze Amerikaanse theoretische natuurkundige ontkent al sinds jaar en dag radicaal het bestaan van zwarte gaten. Of slijten sommige zware sterren hun oude dag als GEODE en andere als zwart gat? Van wat hangt dat dan af?

In afwachting van de antwoorden die de natuur ons zal geven, hebben we alvast een interessant nieuw spoor om enkel hardnekkige raadsels over de werking van de kosmos uit de weg te ruimen.