Je leest:

Imitatie-zwart gat produceert Hawkingstraling

Imitatie-zwart gat produceert Hawkingstraling

Auteur: | 29 oktober 2010

Een zwart gat is niet te zien, maar wel te meten, zo stelde natuurkundige Stephen Hawking in 1974. De straling die volgens hem uit een zwart gat zou moeten komen werd alleen nog nooit gedetecteerd. Britse en Italiaanse wetenschappers bouwden nu een zwart gat na in hun lab en vonden straling.

Het blijft één van de grootste raadsels van de astrofysica: het zwarte gat. Astronomen zijn het erover eens dat ze bestaan, en kunnen zelfs aanwijzen waar ze zitten. Maar een zwart gat is per definitie niet te zien. Al het licht dat in de buurt van het zwarte gat komt wordt opgeslokt en komt er nooit meer uit. Je kunt dus nooit een zwart gat vinden, maar er zijn een heleboel trucs om te berekenen waar ze moeten zijn. In het midden van sterrenstelsels bijvoorbeeld, waar veel meer massa nodig is dan in de zichtbare materie aanwezig is.

Volgens de beroemde Britse wetenschapper Stephen Hawking zijn zwarte gaten echter niet helemaal zwart: ze zenden een beetje straling uit. Dat komt doordat er overal, zelfs in de lege ruimte, aan de lopende band paren van deeltjes en antideeltjes ontstaan. Meestal komen die twee elkaar snel weer tegen en veranderen ze weer in energie, maar als er precies op de rand van een zwart gat een paar ontstaat kan het gebeuren dat één van de twee wordt opgeslokt terwijl de andere ontsnapt. Het aantal van die deeltjes dat ontstaat is afhankelijk van de massa van het zwarte gat: hoe groter de massa, hoe kleiner het aantal deeltjes. Het betekent dat zwarte gaten langzaamaan een klein beetje massa verliezen. Voor hele kleine zwarte gaten, zoals degenen die volgens sommige wetenschappers in de Large Hadron Collider kunnen ontstaan, betekent het zelfs dat ze binnen hele korte tijd al hun massa opstralen.

In de lege ruimte vormen zich uit de zogenaamde vacuümenergie aan de lopende band paren van deeltjes en antideeltjes. Normaal gesproken komen die deeltjes elkaar binnen een mum van tijd weer tegen en gaan ze weer op in energie. Maar als één van de deeltjes achter de horizon van een zwart gat terecht komt en het andere niet, wordt het paar uit elkaar gerukt. Het ontsnappende deeltje is Hawkingstraling.

Eenrichtingsverkeer

In het heelal treffen we voor zover we weten alleen grote zwarte gaten aan, en als ze inderdaad Hawkingstraling uitzenden is dat dus heel weinig. Zo weinig dat het nog nooit is waargenomen. Om erachter te komen of Hawking’s theorie klopt moeten we daarom dichter bij huis zijn: in het laboratorium. Het lukt natuurlijk niet om een echt zwart gat na te bouwen, maar verschillende groepen wetenschappers hebben manieren bedacht om de rand van een zwart gat, de horizon, na te bootsen. De belangrijkste eigenschap van die horizon is dat licht er wel doorheen kan, maar dan geen weg terug meer kan vinden. Met behulp van bijvoorbeeld lasers of metamaterialen is zo’n horizon wellicht voor korte tijd na te maken.

Schotse en Italiaanse wetenschappers maken deze maand in Physical Review Letters bekend dat ze erin geslaagd zijn om een ‘horizon’ te maken en dat ze bovendien Hawkingstraling hebben waargenomen. Daniele Faccio, Francesco Belgiorno en hun collega’s gebruikten daarvoor een stuk heel puur glas dat ze beschoten met intense infrarood-laserpulsen. Die lichtpulsen zorgen ervoor dat de brekingsindex van het glas plaatselijk heel hoog wordt. Hoe hoger de brekingsindex van een stof is, hoe langzamer het licht erdoorheen gaat. Een lichtdeeltje (foton) dat probeert om door het gebiedje met de hoge brekingsindex te komen wordt daar zo hard tegengewerkt dat hij als het ware achter de laserpuls blijft hangen. Net als in een zwart gat zit het lichtdeeltje vast achter een barrière waar hij nooit doorheen kan komen.

In dit schema is te zien hoe de onderzoekers hun kunstmatige horizon hebben geproduceerd. Met een lens bundelden ze laserpulsen met een hele hoge energie in het middel van een stuk glas. Aan de zijkant stelden zij een camera op die de lichtdeeltjes die uitgezonden werden opving.
Belgiorno et al.

Strooilicht en imperfecties

Toen de wetenschappers eenmaal hun horizon gebouwd hadden was het een kwestie van zoeken naar Hawkingstraling. Dat deden ze door detectoren op te stellen in een lijn loodrecht op de laser. Zo wilden ze voorkomen dat strooilicht uit de laser hun echte resultaten zou overstemmen. De onderzoekers vonden flink wat lichtdeeltjes. Het grootste deel daarvan kon worden toegewezen aan de wisselwerking tussen de laser en imperfecties in het glas. Maar een klein deel van de straling had een andere golflengte, en bleek bovendien op andere plaatsen op te duiken wanneer de laser een grotere of kleinere hoeveelheid energie uitzond.

Faccio, Belgiorno en hun team lieten berekeningen los op hun resultaten en kwamen erachter dat de golflengte van de straling die ze detecteerden keurig overeenkwam met de door Hawking voorspelde straling. Ze konden daarom trots melden het bewijs te hebben gevonden dat de theorie van Hawking klopt. Hun resultaten worden echter met de nodige scepsis ontvangen. Collega-wetenschappers wijzen erop dat deze onderzoekers een horizon hebben nagebouwd, maar geen echt zwart gat met alle exotische fysica die daarbij hoort. De interactie tussen kwantumfysica en zwaartekracht in een zwart gat is bijvoorbeeld nog onbegrepen en kan ertoe leiden dat de werkelijkheid helemaal niet op dit experiment lijkt.

Kwantumverstrengeling

Belgiorno en Faccio willen een nieuw experiment uitvoeren om meer bewijs te vinden voor hun Hawkingstraling. Daarvoor gaan ze in plaats van een glazen blok een glasvezelkabel gebruiken. In die opstelling willen ze aantonen dat de lichtdeeltjes die ze vinden een partnerdeeltje aan de andere kant van de horizon hebben, waarmee ze kwantuminformatie delen. Als dat inderdaad zo blijkt te zijn, is dat een belangrijk bewijs voor het ontstaan van uit elkaar gerukte deeltjesparen rondom de horizon van een zwart gat.

Bron:

Hawking radiation from ultrashort laser pulse filaments, F. Belgiorno et al., Physical Review Letters 2010

Zie ook:

Meer lezen over zwarte gaten en Hawkingstraling op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/zwart-gat/zwarte-gaten/hawkingstraling/index.atom?m=of", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 29 oktober 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.