Zwarte gaten zijn gebieden in de ruimte die worden gekenmerkt door zwaartekrachtsvelden die zo intens zijn dat er geen materie of straling uit kan ontsnappen. Het zijn oplossingen voor de veldvergelijkingen van Einstein, met een punt van onfysische oneindige dichtheid in hun centrum.

Gebaseerd op de klassieke theorie van de algemene relativiteitstheorie, komt alle materie die nodig is om een ​​zwart gat te vormen uiteindelijk in het centrum terecht. Deze specifieke voorspelling staat bekend als het 'singulariteitsprobleem'.

In een van zijn baanbrekende werken liet Stephen Hawking zien dat zwarte gaten energie uitstralen en langzaam verdwijnen. Zijn werk suggereert echter dat de straling van zwarte gaten niet alle informatie bevat over de materie die in zijn vorming is gegaan. In de astrofysica wordt dit het 'probleem met informatieverlies' genoemd.

Onderzoekers van de Universiteit van New Brunswick in Canada hebben onlangs een theoretisch model ontwikkeld dat zowel het singulariteitsprobleem als het probleem van informatieverlies effectief zou aanpakken, terwijl het ook meer licht zou werpen op hoe materie instort en zwarte gaten vormt. Het model dat ze bedachten, werd geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Physical Review Letters , biedt een ander perspectief op de vorming en evolutie van zwarte gaten dan die voorgesteld door klassieke theorieën.

"De vraag naar het lot van een zwart gat en wat er gebeurt met de materie (of informatie) die het heeft gevormd, is al vijftig jaar een open probleem", aldus de onderzoekers Viqar Husain Jarod George Kelly, Robert Santacruz en Edward Wilson-Ewing. die het onderzoek uitvoerde, vertelde Phys.org via e-mail. "Er wordt algemeen aangenomen dat een theorie van kwantumzwaartekracht nodig is om dit probleem op te lossen. We weten veel over hoe instortende materie zwarte gaten vormt in de algemene relativiteitstheorie, maar de vraag hoe instorting plaatsvindt in kwantumzwaartekracht is ook een open probleem."

Het belangrijkste doel van het recente werk van Husain en zijn collega's was om een ​​model te introduceren dat precies het singulariteitsprobleem en de ineenstorting van de zwaartekracht tegelijkertijd aanpakt. Om dit te doen, gebruikten ze een constructie van luskwantumzwaartekracht om de fundamentele discretie van de ruimte op te nemen in klassieke vergelijkingen die de ineenstorting van de zwaartekracht beschrijven.

"We hebben het probleem bestudeerd met behulp van eenvoudige stofmaterie die geen druk uitoefent, omdat dit de eenvoudigste soort materie is; de beweging ervan wordt beschreven door een hanteerbare vergelijking die op een laptop kan worden opgelost", legt Husain uit. "Deze vergelijking is een aangepaste versie van de klassieke Einstein-vergelijkingen, die de fundamentele discretie van de ruimte op microscopisch niveau omvat."

De numerieke methode die de onderzoekers in hun onderzoek gebruikten, is ontwikkeld door Sergei K. Godunov, een gerenommeerde Russische wetenschapper die theoretisch onderzoek deed en zich richtte op problemen met de vloeistofstroom. Deze methode kan met name schokgolfvorming aan, het fysieke fenomeen dat optreedt wanneer een object met supersonische snelheden beweegt en op de omringende lucht drukt (bijvoorbeeld wanneer een jet door de geluidsbarrière breekt).

"We volgden de evolutie van een wolk van instortende stofdeeltjes totdat het een zwart gat vormde", zeiden Husain, Kelly, Santacruz en Wilson-Ewing. "De numerieke methode stelde ons in staat om de evolutie van materie te volgen, zelfs binnen het gebied van het zwarte gat in de richting van het punt waar de singulariteit zou zijn in de klassieke oplossing."

De door Husain en zijn collega's geïntroduceerde kwantumzwaartekracht-gecorrigeerde vergelijking lost het singulariteitsprobleem dynamischer op dan klassieke modellen. Meer specifiek suggereert het dat materie in het centrum van het zwarte gat valt, een grote maar eindige dichtheid bereikt en dan terugkaatst en een schokgolf vormt.

"Kwantumzwaartekrachteffecten zijn belangrijk bij de schokgolf en zorgen ervoor dat deze naar buiten kan bewegen in het zwarte gat, wat niet mogelijk is met klassieke vergelijkingen", aldus de onderzoekers. "Tegelijkertijd wordt de kromming van de ruimtetijd groot, maar divergeert ze nooit (zoals in de klassieke theorie)."

Met behulp van de door Godunov geïntroduceerde numerieke tool konden de onderzoekers ook de levensduur van een zwart gat berekenen, van zijn vorming tot zijn verdwijning, wanneer een schokgolf uit zijn horizon komt en de horizon begint te verdwijnen. Interessant is dat de door hen berekende levensduur van het zwarte gat veel korter is dan de verdampingstijd die door Hawking werd voorspeld. Dit suggereert dat hun model zou kunnen helpen om het probleem van informatieverlies op te lossen, maar er zullen meer studies moeten worden uitgevoerd om dit te bevestigen.

Bovendien introduceert de door Husain en zijn collega's geschetste vergelijking de productie van schokgolven bij de ontwikkeling van zwarte gaten. In de toekomst zou het astronomen er dus toe kunnen aanzetten om de mogelijkheid te evalueren om de schokgolven van zwarte gaten te detecteren.

"Als dit mogelijk blijkt te zijn, kunnen onze resultaten een gemakkelijke verklaring bieden, maar ook dit vereist verdere zorgvuldige verkenning", voegde de onderzoekers eraan toe. "In onze volgende onderzoeken willen we proberen vast te stellen of het probleem van informatieverlies inderdaad is opgelost, andere soorten materie die druk uitoefenen en andere soorten materiewolken bestuderen om te zien of ons schokgolfresultaat kwalitatief onveranderd blijft. Als dit het geval blijkt te zijn, kunnen schokgolven een universele handtekening zijn die de dood van een zwart gat markeert." + Verder verkennen

Wetenschappers hebben mogelijk de zwarte gatparadox van Stephen Hawking opgelost

© 2022 Science X Network