Zwart gat van licht

In Engeland is een pseudo-zwart gat in elkaar geknutseld van glasvezel en twee lasers. Licht kan er niet uit ontsnappen.

Margriet van der Heijden

In de experimenten werd een speciaal type glasvezel gebruikt. Een van de eigenschappen daarvan is dat het een laserpuls kan omzetten in een brede band van zichtbaar licht (het spectrum hierboven). Dat licht lekt gedeeltelijk weg uit het glasvezelmateriaal (linksboven) (foto). Voor het nabootsen van zwarte gaten was dat van ondergeschikt belang. foto’s science science

Het klinkt paradoxaal. Want hét kenmerk van zwart gaten is nu juist dat ze alles in hun omgeving opslorpen. Voorgoed. Zelfs licht kan niet aan een zwart gat ontsnappen. Vandaar dat ‘zwart’ in hun naam. Maar nu zeggen Britse natuurkundigen dat ze een zwart gat hebben nagebootst met een stuk glasvezel en twee lasers. Ofwel: met licht (Science, 7 maart).

Voor alle duidelijkheid: het gaat in de laboratoria van de universiteit van St. Andrews in het Verenigd Koninkrijk niet om een echt zwart gat. Dan zou dit stuk met alles en iedereen erbij in dat zwarte gat zijn verdwenen.

Echte zwarte gaten, extreme samenballingen van materie en energie, vinden we alleen in het heelal. Als overblijfsels van superzware sterren die tijdens een supernova-explosie geïmplodeerd zijn. Of in het hart van melkwegstelsels, waar monsterlijke zwarte gaten het equivalent van vele sterren bevatten.

En echte zwarte gaten zijn alleen indirect te herkennen. Aan de gulzigheid bijvoorbeeld, waarmee ze het gas van naburige sterren afwikkelen en opslorpen. De elektromagnetische straling (gamma- en röntgenstraling) die dat snel heter wordende gas uitzendt, verraadt het zwarte gat. En soms verraden zwarte gaten zich doordat ze als een lens de voorbijtrekkende lichtstralen uit verre sterrenstelsels afbuigen.

modelgat

Zulke eigenschappen bootsten de Britse fysici niet na. Wat de groep van Ulf Leonhardt wél deed, was een systeem bedenken waaruit licht net zomin kan wegkomen als uit een zwart gat. En het nieuwe aan hun aanpak is dat zij dat systeem ook bouwden. Andere modelgaten, zoals met behulp van exotische ultrakoude gassen, bestaan alleen op papier.

De essentie van hun idee, zo schrijven ze in Science, is dat je een zwart gat (meer formeel: de kromming van de ruimtetijd rond een zwart gat) vergelijkt met zoiets als een waterval. Lichtstralen zijn in dit beeld bijvoorbeeld vissen.

De argeloze vis die recht op de waterval afzwemt, bereikt een punt, ergens voor de waterval, waar de stroom hem meesleept. Vanaf dit punt kan de vis (het licht) onmogelijk nog tegen de stroom in zwemmen, en verdwijnt hij onherroepelijk in de waterval (het zwarte gat). Dat ‘point of no return’ heet in de zwarte-gaten-fysica de ‘event horizon’. Wat zich achter die horizon afspeelt kunnen toeschouwers verderop alleen maar vermoeden, want geen vis (geen licht) keert ooit nog terug om het na te vertellen.

Als je de analogie verder doortrekt, schrijven de onderzoekers, kun je ook een ‘wit gat’ beschrijven. Het is de monding van een rivier met snelstromend water. Vissen uit zee kunnen tegen die snelle rivierstroming niet op en worden dus, tegenovergesteld aan de waterval, steevast buitengesloten: een ‘wit gat’.

En dat de fysici beide gevallen beschrijven, is geen toeval: in hun glasvezel bootsten ze zwarte én witte gaten na. En, schrijven ze verder, dat hele idee om de kromming van de ruimtetijd (zoals bij een zwart gat) te vergelijken met een stromend medium (zoals bij een waterval) gaat verder dan alleen beeldspraak: het gedrag van golven in een stromend medium én in de gekromde ruimtetijd kan met dezelfde wiskundige vergelijkingen beschreven worden.

speeltje

In de praktijk gebruikten de fysici geen water, maar licht. Zij stuurden een laserpuls door de anderhalve meter lange glasvezel die zo was gekozen dat het licht (golflengte 850 nanometer) de eigenschappen van de glasvezel kortstondig veranderde. Een tweede, snellere infraroodpuls die in het kielzog van de eerste puls reisde, plukte daar de wrange vruchten van. De verandering in de glasvezel was namelijk dusdanig dat deze infraroodpuls vertraagd werd. De infraroodpuls werd zelfs zozeer tegengewerkt dat hij de eerste puls in snelheid nog net kon evenaren, maar nooit kon inhalen.

Het gevolg: de achterkant van de eerste 850-nanometer puls leek op een riviermonding die vissen vergeefs proberen binnen te zwemmen; zoals een wit gat waar juist niks in valt. Een omgekeerd spel met licht maakte van de voorzijde van de puls dan weer een gulzig zwart gat waaruit het licht van de tweede puls niet kon ontsnappen.

stuiteren

Met wel één belangrijk verschil: in een echt zwart gat wordt de golflengte van het vergeefs ontsnappende licht zo kort (korter dan de zogeheten Planck-lengte) dat de huidige natuurkundige theorieën niet langer van toepassing zijn. En zoiets extreems is in de glasvezel niet aan de orde. Daar ‘stuitert’ de puls van de ‘horizon’ weg, zo rekenen de natuurkundigen voor, en zo zagen ze het in hun lab gebeuren. De wiskundige beschrijvingen van de verschijnselen lijken volgens hen echter zozeer op elkaar, dat ze er toch iets van kunnen leren.

Ofwel: de opstelling is meer dan een speeltje voor het team. Zij willen gaan proberen de theorie te toetsen die de beroemde kosmoloog Stephen Hawking in 1975 opperde over de slecht begrepen zwarte gaten. Hawking stelde destijds dat zwarte gaten toch een beetje materie en energie kunnen verliezen. Af en toe zouden er, dankzij de wetten van de quantummechanica, toch (licht)deeltjes de horizon kunnen oversteken en aan het zwarte gat kunnen ontsnappen. Alleen is dit effect in de praktijk van het heelal niet aan te tonen. Of dat in de glasvezel wel lukt? Het team suggereert dat het equivalent van Hawkingstraling daarin na allerlei verfijningen als ultraviolette straling kan opduiken. Maar echt bewijs voor de Hawkingstraling geeft dat niet, aldus experts.