Ruimtetelescoop James Webb jaagt op bewijs: de oerknal was wellicht een zwartegatenfabriek

Volgens Priyamvada Natarajan wemelt het in het heelal van de zwarte gaten. Onzichtbare hemellichamen met zó veel zwaartekracht dat er zelfs geen licht uit kan ontsnappen. Hun aantal loopt misschien wel in de triljarden. En ze zijn allemaal ontstaan toen het heelal nog maar een fractie van een seconde oud was.

Nu ja, de Indiase sterrenkundige, verbonden aan de Amerikaanse universiteit Yale, weet het natuurlijk niet zeker. Echt overtuigend bewijs is er nog niet. “Maar het is wel een plausibel idee”, zegt Natarajan. Samen met twee collega’s publiceert ze er binnenkort een groot artikel over in het vakblad The Astrophysical Journal.

Het mooie van het speculatieve idee: je slaat er drie vliegen mee in één klap. Drie nijpende problemen in de astronomie verdwijnen als sneeuw voor de zon als de oerknal, die 13,8 miljard jaar geleden de geboorte van het heelal inluidde, inderdaad een zwartegatenfabriek was. Geen wonder dat die ‘oer-zwarte gaten’ (primordial black holes) de laatste jaren aan populariteit hebben gewonnen.

Zware jongens

Sterrenkundigen kennen twee soorten zwarte gaten: lichte en zware. Relatieve begrippen, want ook de lichte exemplaren wegen al 2,5 tot pakweg 25 keer zo veel als onze zon. Het zijn de overblijfselen van ontplofte reuzensterren. Zwarte gaten uit de tweede categorie kunnen wel een paar miljoen of zelfs een paar miljard keer zo zwaar zijn als de zon. Die superzware zwarte gaten bevinden zich in de kernen van sterrenstelsels zoals onze eigen Melkweg.

De laatste jaren hebben astronomen echter zwaartekrachtgolven gemeten – minieme rimpelingen in de lege ruimte – die afkomstig zijn van botsende zwarte gaten ergens diep in het heelal. Uit de metingen blijkt dat die soms vele tientallen keren zo zwaar zijn als de zon. Moeilijk te verklaren met de huidige theorieën. Behalve als ze niet zijn ontstaan bij sterexplosies, maar al veel eerder, tijdens de oerknal. Probleem 1 opgelost.

Met de superzware exemplaren in de kernen van sterrenstelsels is ook iets geks. Die moeten zichzelf in de loop van de tijd hebben vetgemest door enorme hoeveelheden gas en sterren uit hun omgeving op te slokken. Dat kost natuurlijk tijd. Toch zijn er op enorme afstanden in de kosmos, waar je vele miljarden jaren terugkijkt in de tijd, al van die zware jongens gevonden. Hoe konden er zo kort na de oerknal al zulke gigantische zwarte gaten bestaan? Misschien wel doordat de eerste ‘kiemen’ er al waren vanaf de geboorte van het heelal. Exit probleem 2.

Het derde en misschien wel het belangrijkste probleem waar oer-zwarte gaten een oplossing voor bieden is het raadsel van de donkere materie. Uit zwaartekrachtmetingen blijkt dat er zes keer zo veel materie in het heelal moet zijn dan sterrenkundigen met telescopen kunnen zien. De samenstelling van het heelal vertelt je dat die donkere materie niet uit gewone atoomkernen kan bestaan. Speurtochten naar onbekende elementaire deeltjes hebben tot nu toe niets opgeleverd. Het kan ook niet gaan om ‘gewone’ zwarte gaten: die zijn bij lange na niet talrijk genoeg. Maar als er vlak na de oerknal triljoenen oergaten zijn ontstaan, is het probleem van de donkere materie ook uit de wereld.

Bernard Carr van de Queen Mary-universiteit in Londen vindt het geen vergezocht idee. “Gewoonlijk wordt aangenomen dat donkere materie uit een of ander mysterieus deeltje bestaat”, zegt hij, “maar dat komt vooral doordat er nu eenmaal veel meer deeltjesfysici zijn dan sterrenkundigen.” Nu dat “volstrekt hypothetische” deeltje steeds maar niet gevonden wordt, begint men zich achter de oren te krabben, aldus Carr. “Van zwarte gaten wéten we dat ze bestaan – je hebt er geen compleet nieuw concept voor nodig.”

Stephen Hawking

Het mag geen verbazing wekken dat Carr enthousiast is over oer-zwarte gaten. In 1974 publiceerde hij als promovendus aan de Universiteit van Cambridge een baanbrekend artikel over deze primordial black holes, samen met zijn toenmalige leermeester Stephen Hawking. Hoewel er in de jaren zestig al over was gespeculeerd, onder anderen door de Rus Igor Novikov, zette hun publicatie het idee voor het eerst echt op de kaart.

Een fractie van een seconde na de oerknal was het uitdijende heelal niet alleen extreem heet, maar had het ook een onvoorstelbaar hoge dichtheid. Maar die was niet overal precies gelijk: misschien waren er piepkleine gebiedjes waar de dichtheid nog enorm veel hoger was dan gemiddeld, zo opperden Carr en Hawking. Die gebiedjes zouden onder hun eigen zwaartekracht ineen kunnen storten tot microscopisch kleine zwarte gaatjes: zo klein als een atoomkern, maar even zwaar als de Mount Everest.

Even leek het erop alsof deze theorie een compleet ander raadsel in de sterrenkunde zou kunnen oplossen. Astronomen hadden mysterieuze explosies van energierijke gammastraling ontdekt in het heelal, en de oergaatjes van Carr en Hawking boden daar een schitterende verklaring voor. Hawking rekende namelijk voor dat zwarte gaten in de loop van de tijd langzaam maar zeker verdampen door het uitzenden van wat nu Hawkingstraling wordt genoemd – een onvermijdelijk effect van de quantumfysica. Dat verdampen gaat sneller naarmate het zwarte gat lichter wordt, en het eindigt met een heftige explosie. Voor een ‘gewoon’ zwart gat duurt dat proces onvoorstelbaar lang, maar de microscopische oergaatjes uit de ontstaansperiode van het heelal zouden een levensduur hebben van zo’n tien tot twintig miljard jaar. Die moet je dus nú kunnen zien exploderen.

Kosmische gammaflitsen bleken echter op een andere manier te ontstaan. De primordial black holes van Carr en Hawking konden ook nooit talrijk genoeg zijn om de donkere materie in het heelal te verklaren. Het hele idee raakte geleidelijk uit de gratie, ook al omdat er in de loop van de tijd veel tegenargumenten aan het licht kwamen.

Zo zou je verwachten dat er een soort natuurlijke spreiding zou zijn in de massa’s van die oergaten: onwaarschijnlijk veel hele kleintjes, maar ook nog talloze middelzware exemplaren en een gigantisch aantal echt zware jongens. Juist die grootste en zwaarste oergaten zouden hun bestaan op allerlei andere manieren moeten verraden, en daar bleek niets van.

Bovendien: precisiemetingen aan de kosmische achtergrondstraling – een soort ‘nagloed’ van de oerknal – wijzen uit dat de dichtheidsvariaties in het pasgeboren heelal enorm klein waren: een minieme fractie van een procent, wat veel te weinig is voor de productie van zwarte gaten. Toegegeven, die metingen hebben alleen betrekking op relatief grote gebieden, maar het lijkt wel erg wishful thinking om te veronderstellen dat dat op kleine schaal opeens compleet anders zou zijn. Er zijn dan ook altijd veel theoretici geweest die het idee van oer-zwarte gaten resoluut naar het rijk der fabelen verwijzen.

Oergaten onder de radar

Maar het tij is aan het keren, constateert Carr, die inmiddels 73 is. “Ik heb ruim 45 jaar aan primordial black holes gewerkt”, zegt hij, “en de laatste jaren zijn andere onderzoekers ook weer enthousiast aan het worden.” Zoals Yale-astronoom Priyamvada Natarajan, die zich er nu in heeft vastgebeten samen met Nico Cappelluti van de Universiteit van Miami en Günther Hasinger, wetenschappelijk directeur van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA.

Kort na de geboorte onderging het heelal een paar discrete faseovergangen, enigszins vergelijkbaar met de overgangen van waterdamp naar vloeibaar water en van water naar ijs. Tijdens die faseovergangen kunnen er oer-zwarte gaten met vrij specifieke massa’s zijn ontstaan, legt Natarajan uit via een Zoom-verbinding vanuit India, waar ze haar ouders bezoekt. Dan is er dus geen sprake van een natuurlijke massaspreiding. Zo zouden de oergaten tot nu toe onder de astronomische radar gebleven kunnen zijn.

Maar dat duurt misschien niet lang meer. Volgens Cappelluti, Hasinger en Natarajan kan het bestaan van oer-zwarte gaten binnenkort wellicht aangetoond worden door de nieuwe James Webb Space Telescope, die eind december is gelanceerd, of door de toekomstige zwaartekrachtgolfdetector LISA, die halverwege de jaren dertig gelanceerd wordt door ESA.

Webb kijkt terug tot slechts een paar honderd miljoen jaar na de oerknal. Als het pasgeboren heelal bevolkt werd door oer-zwarte gaten, zullen die extra zwaartekracht op hun omgeving hebben uitgeoefend. Sterren en sterrenstelsels zijn dan nog veel eerder ontstaan dan volgens de gangbare theorieën, legt Natarajan uit, en Webb zou dat moeten kunnen zien. Ook verwacht je dan dat er in de jeugd van het heelal vaker zwarte gaten op elkaar zijn geknald – zo zouden de eerste superzware exemplaren in de kernen van sterrenstelsels immers zijn ontstaan. LISA kan de zwaartekrachtgolven van die vroege botsingen detecteren.

Triljoenen zwarte gaten die even oud zijn als het heelal zelf, en die ondanks hun duistere aard nieuw licht werpen op het raadsel van de donkere materie – Bernard Carr kan niet wachten op bewijs voor hun bestaan. “De aanwijzingen worden steeds sterker”, zegt hij, “misschien hebben we het antwoord al binnen tien jaar.”