Vlak na de oerknal ontstonden misschien de allereerste hemellichamen: zwarte gaten. Maar waar zijn ze?

Oer-zwarte gaten Het is een idee uit de jaren 60: zwarte gaten die zijn ontstaan bij het begin van het universum. Maar waar zijn ze? „Als we oer-zwarte gaten vinden, dan kijken we naar de oudste losse objecten óóit.”

Illustratie Jasmijn van der Weide

Al een fractie van een seconde na de oerknal, lang voordat de eerste sterren en planeten verschenen, ontstonden misschien de allereerste hemellichamen: zwarte gaten. Het piepjonge universum was gevuld met een ondoorzichig, gloeiend heet plasma onder hoge druk. Dat plasma was niet overal gelijk verdeeld. In rimpelingen van deze oersoep kan massa zijn samengepakt om een zwart gat te vormen.

Het bestaan van die oer-zwarte gaten volgt uit berekeningen aan de jonge kosmos. En al zo’n vijftig jaar zijn astronomen wereldwijd op zoek naar hun sporen. Maar misschien jagen ze op een schim en hebben de zwarte gaten nooit bestaan. Of misschien zijn ze al te laat en zijn deze 14 miljard jaar oude zwarte gaten allang verdampt. Toch zoeken de sterrenkundigen door. „Als we oer-zwarte gaten vinden, dan kijken we naar de oudste losse objecten óóit”, zegt Christiaan Brinkerink, sterrenkundige aan de Radboud Universiteit.

Zwarte gaten zijn geen gaten. Het zijn gebieden waar de zwaartekracht zó sterk is, dat niets eraan kan ontsnappen. Voorbij de waarnemingshorizon kan zelfs licht niet meer ontsnappen.

De natuurkunde in en rondom zwarte gaten is raadselachtig en complex. Maar sterrenkundigen hebben een redelijk beeld van verschillende soorten zwarte gaten. Astronomen onderscheiden vier categorieën.

Verreweg de meeste zwarte gaten zijn stellaire zwarte gaten. Die ontstaan wanneer zware sterren, minimaal twintig keer zo zwaar als de zon, het loodje leggen. Dan slingert de buitenste laag van de ster in rap tempo het heelal in met een spectaculaire explosie, een supernova. De overgebleven kern stort ineen tot een zwart gat. De massa van een zwart gat dat op deze manier ontstaat, kan oplopen tot zo’n honderd keer die van de zon.

De tweede groep is die van de superzware zwarte gaten. Vrijwel ieder sterrenstelsel heeft zo’n variant in zijn centrum. Die in het centrum van de Melkweg, Sagittarius A*, is ongeveer vier miljoen keer zo zwaar als de zon. M87* in sterrenstelsel M87, waarvan in 2019 de iconische eerste foto van een zwart gat genomen werd, is ongeveer zes en een half miljard keer zo zwaar als de zon. Deze superzware zwarte gaten zijn veel te zwaar om te zijn ontstaan uit stervende sterren zoals stellaire zwarte gaten. Soms botsen zwarte gaten en smelten ze samen, maar zelfs meerdere samensmeltende zwarte gaten zijn niet genoeg om hun massa te verklaren. De derde groep, middelzware zwarte gaten, is nog niet gevonden. Qua massa zitten ze tussen de eerste en tweede groep in.

Imploderende materie in de oersoep

En dan is er de vierde groep: oer-zwarte gaten, ontstaan uit imploderende materie in de oersoep.

Het nadenken over het ontstaan van oer-zwarte gaten begon in 1966 met natuurkundige Jakov Borisovitsj Zeldoovitsj uit Wit-Rusland en de Russische sterrenkundige Igor Dmitriejevitsj Novikov. Een paar jaar later werkte de Britse natuurkundige Stephen Hawking de theorie én wiskunde verder uit. Het idee is dat in het jonge en kleine universum materie nog zo dicht op elkaar geperst was, dat op sommige plekken de druk hoog genoeg is geweest om van kleine gebieden zwarte gaten te maken.

De massa van oer-zwarte gaten zou variëren van 0,02 milligram tot duizend keer zo zwaar als de zon, berekende Hawking. Tweehonderd oer-zwarte gaten per kubieke lichtjaar (een lichtjaar is de afstand die licht aflegt in een jaar) zouden er volgens Hawking en zijn Canadese collega Don Page moeten zijn, schreven ze in 1977. Dat is weinig, maar in de nabije omgeving van de Melkweg zou die hoeveelheid inmiddels een miljoen keer zo groot kunnen zijn door de samenklontering van materie rondom sterrenstelsels. Hawking berekende dat het dichtstbijzijnde oer-zwarte gat in dat geval nauwelijks verder van de aarde staan zou staan dan Pluto. Pluto staat ongeveer veertig keer zo ver van de aarde als de zon.

„Wie in gedachten de tijd terugspoelt, ziet al gauw dat de oer-zwarte gaten-theorie van onder andere Hawking aannemelijk is”, zegt Brinkerink. „Ook nu zien we overal om ons heen dichtheidsverschillen: als alles egaal verdeeld zou zijn, kon stof bijvoorbeeld niet samenklonteren tot sterren en planeten. Als je het heelal met al zijn klonteringen terugspoelt naar het begin waarin alles al heel dicht op elkaar perste, zal er materie in de volle gebieden zo hard op elkaar zijn gedrukt, dat daar wel zwarte gaten moeten zijn ontstaan. Moderne computermodellen, veel uitgebreider dan die in de tijd van Hawking, bevestigen dat nu nog steeds.”

Maar als het zo waarschijnlijk is dat de oer-zwarte gaten bestaan en ze vermoedelijk in relatief grote aantallen in de nabije omgeving van de Melkweg rondzwermen, waarom zijn ze dan nog niet gevonden? Anupam Mazumdar, theoretisch natuurkundige aan de Rijksuniversiteit Groningen: „Het is moeilijk om ze op te sporen. De enige manier om oer-zwarte gaten écht goed te onderscheiden van de andere soorten is door hun massa. We zoeken de oer-zwarte gaten die een andere massa hebben dan stellaire. Dat is een kleine bandbreedte. Alleen van zwarte gaten lichter dan de zon, weet je zeker dat het geen stellaire zwarte gaten zijn.”

Losgekoppelde deeltjes

Maar onzeker is met welke massa’s oer-zwarte gaten precies begonnen zijn. En al zouden er een paar gevormd zijn met een massa kleiner dan die van de zon, dan kunnen ze in veertien miljard jaar gegroeid zijn door materie op te slurpen uit de omgeving of door samen te smelten met andere zwarte gaten.

Een ander probleem is dat oer-zwarte gaten misschien te licht zijn begonnen en inmiddels zijn verdwenen door ‘verdamping’. Want een zwart gat kan verdampen. Dat werkt ongeveer als volgt. In het universum kunnen lokaal deeltjesparen van een deeltje en zijn antideeltje ontstaan. Normaal heffen die twee deeltjes elkaar snel op, ze ‘annihileren’. Maar ze kunnen ook losgekoppeld raken, dicht bij een zwart gat. Wanneer het deeltje nét te dicht bij het zwarte gat is en het antideeltje niet, verdwijnt het deeltje in het zwarte gat. Het antideeltje wordt, ten koste van energie uit het zwarte gat, het heelal in geslingerd. Dat ontsnappen van energie in de vorm van deeltjes uit het zwarte gat heet hawkingstraling. Hoe lichter het zwarte gat is, hoe sneller ze verdampen. Hawking berekende dat een oer-zwart gat dat begon met een massa lichter dan 1011 (een één met elf nullen) kilogram nu volledig verdampt is.

Absurd, vonden natuurkundigen in 1974 die theorie waarmee Hawking toen voor de dag kwam. Voorheen werd altijd aangenomen dat niets aan een zwart gat kon ontsnappen als het er eenmaal in opgeslurpt was. Op grote schaal is dat ook zo. Alleen, op schaal van de allerkleinste deeltjes vond Hawking toch een manier.

We kunnen niets concreets over hun bestaan zeggen tot we ze vinden

Sumedha Biswas astronoom

Vanuit Nijmegen zoekt astronoom Sumedha Biswas aan de Radboud Universiteit naar oer-zwarte gaten. Zij hoopt hun sporen te vinden in golven die ontstaan wanneer twee zwarte gaten tegen elkaar botsen. „Er is een grote kans dat oer-zwarte gaten gevormd zijn, maar we kunnen niets concreets over hun bestaan zeggen tot we ze vinden.” De golven zijn vergelijkbaar met rimpelingen in een vijver waar iemand een steen in gooit en heten zwaartekrachtsgolven. Die golven worden opgevangen met detectoren en met computermodellen is ook de massa van de botsende zwarte gaten te herleiden. Al tientallen zwaartekrachtsgolven van botsingen tussen zwarte gaten zijn inmiddels gevonden. „Ik werk, samen met mijn collega’s, aan methodes om in die database aan golven te zoeken naar aanwijzingen van botsingen tussen zwarte gaten lichter dan de zon.

Merkwaardige botsing

Opgetogen waren oer-zwarte gaten-jagers in 2016 toen detectoren LIGO en Virgo zwaartekrachtsgolven van een merkwaardige botsing opvingen van 1,3 miljard jaar geleden – zo lang duurde het voor de golven de aarde bereikten. Het ging niet om zwarte gaten lichter dan de zon. De botsing zou zijn veroorzaakt door zwarte gaten die iets zwaarder zijn dan astronomen verwachten van stellaire zwarte gaten, maar die wel overeenkomen met de massa van een zwaar oer-zwart gat.

„Maar dit zijn nog geen harde bewijzen voor het bestaan van oer-zwarte gaten”, zegt Biswas. „Samensmeltende stellaire zwarte gaten kunnen de massa ook verklaren.”

De zoektocht naar het bestaan van oer-zwarte gaten raakt aan grote openstaande problemen. De eerste is het probleem van een van de meest gezochte deeltjes in het universum; donkere materie. Ongeveer 27 procent van het heelal bestaat uit donkere materie en niemand weet wat het is. Het verraadt zich met zijn massa waarmee het zijn omgeving beïnvloedt. Piepkleine oer-zwarte gaten zijn de ideale kandidaten, stelde Hawking, omdat donkere materie net als zwarte gaten geen licht uitstraalt maar wel massa heeft. Groot kunnen die zwarte gaten niet zijn: anders zouden astronomen andere effecten moeten zien.

We weten dat wanneer een zwart gat te snel eet, hij gaat ‘boeren’

Pratika Dayal expert superzware zwarte gaten

Deze theorie van Hawking kreeg een knauw in 2019. Astronomen richtten toen een nacht lang hun telescopen op het Andromedastelsel, een spiraalvormig sterrenstelsel op 2,6 miljoen lichtjaar afstand. Ze zochten daar naar ongebruikelijk heldere sterren, veroorzaakt door het afbuigen van licht langs zwarte gaten. Ze testten Hawkings hypothese voor oer-zwarte gaten met een massa van een miljardste tot honderd duizendste keer die van de zon. Ze vonden minder van zulke ‘ophelderingen’ dan er volgens Hawking hadden moeten zijn.

Brinkerink vanuit Nijmegen: „Het is nog niet honderd procent uitgesloten, je kunt diezelfde proeven uitvoeren met zwarte gaten met kleinere massa’s. Maar door massa’s uit te sluiten, wordt de kans steeds kleiner dat donkere materie uit kleine zwarte gaten bestaat.”

Het tweede raadsel dat oer-zwarte gaten mogelijk kunnen ophelderen is dat van de superzware zwarte gaten. Oer-zwarte gaten hebben, in tegenstelling tot stellaire zwarte gaten, veel tijd gehad om te groeien: zo lang als het heelal oud is. Dat kan alleen wanneer ze in het centrum van sterrenselsels zitten, waar ze genoeg materie kunnen opslurpen en genoeg zwarte gaten om mee samen te smelten.

Het prille universum

Maar wie de huidige superzware zwarte gaten probeert terug te herleiden op oer-zwarte gaten, loopt al snel tegen een probleem aan, zegt Pratika Dayal. Zij is expert in superzware zwarte gaten aan de Rijksuniversiteit Groningen. „Een zwart gat moet wel héél snel eten om zo groot te groeien. En we weten dat wanneer een zwart gat te snel eet, hij gaat ‘boeren’: dat wil zeggen dat hij materie in zijn nabije omgeving juist weg duwt, het heelal in. En dan duurt het weer zo’n miljoen jaar voor er weer nieuwe materie rondom het zwarte gat is om op te eten. Snel eten is dus helemaal niet efficiënt. Of het überhaupt mogelijk is dat oer-zwarte gaten de zaadjes waren voor de superzware zwarte gaten, blijft een raadsel.”

Biswas vanuit Nijmegen: „Wel is zeker dat, als we oer-zwarte gaten vinden, hun massa en aantal iets vertelt over hoe het prille universum eruit zag.”

Het kan ook zo zijn dat astronomen ze nooit vinden, terwijl ze op basis van de huidige kennis wel worden verwacht. Het zouden niet de enige nooit bewezen theoretische hemellichamen zijn, ook sommige verwachten stersoorten bijvoorbeeld zijn nog nooit gevonden. Als het bestaan van oer-zwarte gaten nooit wordt aangetoond, wat zegt dat dan over de theorie van de omstandigheden in het piepjonge universum? Brinkerink: „Als er nooit ook maar één aanwijzing voor het bestaan van oer-zwarte gaten opduikt, schort er iets aan ons begrip van zwarte gaten óf van het begin.”

Illustraties Jasmijn van der Weide

Correctie (7 september 2021): In een eerdere versie van dit artikel In een eerdere versie van dit artikel stond dat 1011 een tien met elf nullen is. Dat moet een één met elf nullen zijn. Dit is hierboven verbeterd. Dat is hierboven aangepast.