Kort voordat hij de leiding nam over het Manhattan-project, beschreef Robert Oppenheimer hoe reuzensterren uiteindelijk zwarte gaten worden. ‘Zijn werk blijft vandaag nog steeds overeind.’
Openingsbeeld: Oppenheimer paste de principes van Einsteins algemene relativiteitstheorie toe om vast te stellen dat objecten die we nu zwarte gaten noemen kunnen bestaan. © Belga
Robert Oppenheimer kennen we – tegenwoordig met dank aan regisseur Christopher Nolan – vooral als de wetenschappelijk leider van het Manhattan-project, het geheime Amerikaanse onderzoeksprogramma dat in 1945 de allereerste atoombom voortbracht. Maar slechts enkele jaren daarvoor boog de natuurkundige zich over een heel ander type massavernietigingswapen: zwarte gaten. Al zou het nog decennia duren voordat ze zo werden genoemd.
‘Het was visionair’, zegt astrofysicus Feryal Özel (Georgia Institute of Technology) over Oppenheimers onderzoek naar zwarte gaten en neutronensterren, de superdense overblijfselen van ineengestorte reuzensterren. Özel is stichtend lid van de Event Horizon Telescope-samenwerking. Die organisatie gaf in 2019 het eerste beeld vrij van een zwart gat – tachtig jaar nadat Oppenheimer als coauteur meewerkte aan een paper waarin het bestaan van die objecten is voorspeld. ‘Het belang van Oppenheimers inzichten zindert vandaag nog na.’
Özel is niet de enige vooraanstaande fysicus die de waarde erkent van Oppenheimers onderzoek naar zwarte gaten. ‘Het blijft nog steeds overeind, er is geen fout in te bespeuren’, zegt Kip Thorne, emeritus hoogleraar fysica aan het California Institute of Technology. Thorne won de Nobelprijs Fysica voor zijn werk aan het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), dat in 2015 voor het eerst zwaartekrachtgolven detecteerde die afkomstig waren van twee botsende zwarte gaten. ‘Met die paper toonde Oppenheimer dat hij zijn tijd ver vooruit was’, zegt Thorne. ‘Het is verbluffend wat je in niet meer dan vijf pagina’s allemaal kunt vatten.’
Oppenheimers korte uitstap naar de astrofysica begon in 1938, toen hij een paper schreef over neutronensterren. Het jaar daarop volgde een publicatie over de principes van Einsteins algemene relativiteitstheorie. En op 1 september 1939 publiceerde hij een derde paper over zwarte gaten, die helaas op weinig aandacht kon rekenen: op diezelfde dag viel Duitsland Polen binnen en begon de Tweede Wereldoorlog. Het was de laatste keer dat Oppenheimer over het onderwerp schreef.
‘Het is verbluffend wat je in niet meer dan vijf pagina’s allemaal kunt vatten’
Maar: zelfs zonder de oorlog was de kans klein dat Oppenheimers werk over neutronensterren en zwarte gaten echt potten zou breken. Die onderwerpen waren in die tijd niet erg belangwekkend, zegt wetenschapshistorica Cathryn Carson (University of California, Berkeley).
Drie baanbrekende papers
Oppenheimer schreef elk van zijn drie papers met steeds een andere coauteur, die hij plukte uit het groepje (post)doc-studenten dat hij zorgvuldig rondom zich had samengesteld. Dankzij zijn protegés kon hij makkelijk heen en weer schipperen tussen verschillende onderzoekstopics. Thorne is niet de enige die vindt dat het netwerk dat hij uitbouwde tot een van zijn belangrijkste bijdragen tot de fysica behoort.
In zijn derde paper, die hij schreef met zijn student Hartland Snyder, verkent Oppenheimer welke implicaties Einsteins algemene relativiteitstheorie heeft op de zwaarste sterren in het heelal. Oppenheimer en Snyder moesten enkele aannames doen om de vraagstelling te vereenvoudigen, maar konden wel vaststellen dat sterren van een zekere omvang uiteindelijk ineenstorten. Ze beschreven ook dat die instorting binnen een welbepaalde tijd plaatsvindt. Waaruit ze concludeerden dat de objecten die we nu kennen als zwarte gaten theoretisch gezien kunnen bestaan.
‘Uiteindelijk zou er aan iets moeten ontstaan als een naakte singulariteit, een punt met een dichtheid die zo oneindig groot is dat de ruimtetijd zelf eronder bezwijkt. We zouden ook een waarnemingshorizon moeten zien opdoemen’, zegt fysicus en wetenschapshistoricus David Kaiser (Massachusetts Institute of Technology). ‘Dat staat allemaal in die paper beschreven. Weliswaar niet met de termen die we vandaag gebruiken, maar de wiskunde is absoluut herkenbaar.’
Blind voor briljante ideeën
In de decennia sinds Oppenheimer en Snyder hun bommetje over zwarte gaten dropten, hebben wetenschappers bewezen dat de principes die de twee wetenschappers destijds neerschrijven standhouden, ook wanneer ze de vereenvoudigende aannames elimineerden. Het werk van Oppenheimer en Snyder wekt nog meer ontzag op als je er de beroemdste natuurkundige uit de geschiedenis bijhaalt: de man aan wie de algemene relativiteitstheorie is ontsproten.
‘Anders dan Oppenheimer sloeg Einstein de bal volledig mis’
‘Bijna op hetzelfde moment als Oppenheimer en Snyder publiceerde Albert Einstein een paper waarin hij volhield dat een ster of eender welk object niet kan ineenstorten tot de afmetingen van wat we nu een zwart gat noemen’, zegt Thorne. ‘Einstein sloeg de bal volledig mis.’
Ondanks de waarde van Oppenheimer en Snyders werk, bleef verder onderzoek naar zwarte gaten decennia lang op een laag pitje staan. Het is een somber voorbeeld van hoe briljante ideeën over het hoofd kunnen worden gezien, vindt theoretisch fysicus Manuel Ortega-Rodríguez (Universiteit van Costa Rica).
‘Ik vind het even fascinerend als beangstigend dat zo’n idee een kwarteeuw lang kon bestaan, en dat niemand er oog voor had’, zegt hij. ‘Voor hetzelfde geld ligt er vandaag een revolutionair idee pal voor onze neus waarvoor we volledig blind zijn.’
