Astrophysical viability of extremal black holes

Zwarte gaten zijn de meest extreme objecten in ons universum, regio's waar de zwaartekracht zo sterk is dat niets, zelfs licht niet, kan ontsnappen. Decennialang zijn natuurkundigen gefascineerd geweest door een theoretische versie van deze objecten, genaamd "extreme" zwarte gaten. Dit zijn niet zomaar zwarte gaten; het zijn de absolute limiet van wat een zwart gat kan zijn. Stel je een zwart gat voor dat is geladen met zoveel elektriciteit als de natuurkunde toelaat, of zo snel draait als mogelijk zonder uit elkaar te vallen. In deze extreme toestanden versmelten de binnenste en buitenste grenzen van het zwarte gat tot een enkel oppervlak, en bereikt het object een temperatuur van het absolute nulpunt. Hoewel deze objecten wiskundig prachtig zijn en een cruciale rol spelen in theorieën over hoe zwaartekracht en kwantummechanica met elkaar kunnen samenvallen, is een fundamentele vraag onbeantwoord gebleven: bestaan ze daadwerkelijk in ons echte universum, of zijn het slechts wiskundige spoken die niet in de natuur kunnen overleven?

Een nieuwe studie door onderzoekers Chiara Coviello en Ruth Gregory werpt een frisse blik op deze vraag, door te vragen of een extreem zwart gat kan voortbestaan in de rommelige, materiële omgeving van ons feitelijke kosmos. De onderzoekers betogen dat hoewel deze objecten in een perfect vacuüm zouden kunnen bestaan, de realiteit van ons universum hun overleving onmogelijk maakt. Ze tonen aan dat de zeer krachten die een dergelijk zwart gat zouden creëren, ook de mechanismen bevatten om het bijna onmiddellijk te vernietigen, of het in ieder geval te voorkomen dat het überhaupt ontstaat. Hun werk suggereert dat als je een zwart gat in ons universum zou vinden, het bijna zeker iets minder dan de maximale lading of spin zou hebben, en nooit dat perfecte, bevroren extreme toestand zou bereiken.

Om te begrijpen waarom deze objecten zo moeilijk in stand te houden zijn, moet men eerst overwegen hoe een geladen zwart gat interageert met zijn omgeving. In het vacuüm van de diepe ruimte zou een zwart gat met een enorme elektrische lading stabiel lijken. Onze universe is echter niet leeg; het is gevuld met een zee van deeltjes en velden. De onderzoekers richtten zich op een proces dat bekend staat als Schwinger-ontlading, een kwantumeffect waarbij een sterk elektrisch veld spontaan paren deeltjes uit het lege vacuüm kan scheuren. Denk aan het elektrische veld rond een geladen zwart gat als een strak gespannen elastiekje; als het hard genoeg wordt uitgerekt, zal het uiteindelijk knappen, waardoor een paar deeltjes ontstaan die uit elkaar vliegen. Eén van deze deeltjes voert de lading van het zwarte gat af, wat het effectief neutraliseert.

Lama tijd geloofden natuurkundigen dat dit ontladingsproces alleen zou plaatsvinden bij zeer kleine zwarte gaten, waar het elektrische veld ongelooflijk intens is. Ze namen aan dat massieve zwarte gaten, zoals de supermassieve zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels, elektrische velden zouden hebben die te zwak zijn om dit effect te triggeren. Coviello en Gregory herzag deze berekening met een nauwkeuriger oog. Ze realiseerden zich dat eerdere schattingen een cruciale factor over het hoofd hadden gezien: het enorme volume van de ruimte rondom het zwarte gat waar deze ontlading zou kunnen plaatsvinden. Zelfs als de snelheid van deeltjescreatie traag is op elke individuele plek, betekent het enorme gebied rondom een massief zwart gat dat het totale aantal gecreëerde deeltjes enorm is. Toen zij rekening hielden met dit volume en de specifieke waarschijnlijkheid van de gebeurtenis, ontdekten zij dat de ontlading veel efficiënter is dan eerder gedacht.

Hun berekeningen onthulden een verbijsterende drempelwaarde. Om een elektrisch geladen zwart gat te laten overleven zonder zijn lading te verliezen, zou het ongelooflijk massief moeten zijn — meer dan 100 biljoen keer de massa van onze zon. Om dit in perspectief te plaatsen: de grootste zwarte gaten die we ooit hebben waargenomen, zijn slechts ongeveer 36 miljard keer de massa van de zon. Dit betekent dat de meest massieve zwarte gaten in ons universum nog steeds veel te klein zijn om dit ontladingsproces te ontsnappen. Zelfs als een zwart gat op de een of andere manier werd gecreëerd met de perfecte hoeveelheid lading, zou het elektrische veld de lading onmiddellijk beginnen weg te strippen door elektron-positronparen uit het vacuüm te creëren, waardoor het zwarte gat terugkeert naar een neutrale staat lang voordat het waargenomen zou kunnen worden.

De onderzoekers overwoogen ook een tweede, nog krachtiger mechanisme voor ontlading dat voorkomt in de echte omgeving van een sterrenstelsel. Zwarte gaten worden zelden omgeven door een puur vacuüm; ze zijn vaak ingebed in wolken van gas en stof, voornamelijk bestaande uit waterstof. Het elektrische veld van een geladen zwart gat is sterk genoeg om elektronen van deze neutrale waterstofatomen af te scheuren, een proces dat ionisatie wordt genoemd. Zodra de atomen geïoniseerd zijn, stort de resulterende plasma van geladen deeltjes zich naar het zwarte gat, wat de lading nog sneller neutraliseert dan het vacuümproces. Wanneer het team berekende hoe lang het zou duren voordat een zwart gat zijn lading verliest door deze ionisatie, kwamen zij tot de conclusie dat de vereiste massa voor stabiliteit nog hoger was dan de vacuümlimiet. De conclusie is onvermijdelijk: elk elektrisch geladen zwart gat in ons universum, ongeacht hoe groot het is, zal snel zijn lading verliezen en ophouden extreem te zijn.

De studie onderzocht ook de mogelijkheid van magnetische zwarte gaten. In tegenstelling tot elektrische ladingen, die algemeen voorkomen, zijn magnetische ladingen (of magnetische monopolen) nooit direct waargenomen, hoewel veel theorieën over het vroege universum voorspellen dat ze zouden moeten bestaan. Als een zwart gat een enorme hoeveelheid van deze magnetische monopolen zou opvangen, zou het theoretisch een magnetisch geladen extreem zwart gat kunnen worden. De onderzoekers onderzochten of een dergelijk object stabiel zou zijn. Ze ontdekten dat hoewel magnetische velden niet dezelfde snelle ontlading veroorzaken als elektrische velden, deze zwarte gaten op een andere manier instabiel zijn. Als het zwarte gat te klein is, zouden de magnetische veldlijnen van de monopolen uit de gebeurtenishorizon kunnen lekken, waardoor het zwarte gat zijn lading verliest.

Om een stabiel magnetisch zwart gat te vormen, zou het object massief genoeg moeten zijn om een enorme hoeveelheid monopolen te bevatten — misschien wel een miljoen of meer. De onderzoekers keken hoe een dergelijk zwart gat zou kunnen vormen. Ze analyseerden de omstandigheden van het vroege universum, specif de periode van snelle expansie die inflatie wordt genoemd. Hun berekeningen toonden aan dat de waarschijnlijkheid dat een zwart gat spontaan verschijnt met voldoende volume om de benodigde hoeveelheid monopolen op te vangen, verwaarloosbaar klein is. Het universum produceert deze objecten simpelweg niet in de hoeveelheden of groottes die nodig zijn om ze stabiel te maken. Zelfs als ze zouden ontstaan, zouden de omstandigheden die nodig zijn om ze te creëren, waarschijnlijk door de expansie van het universum gewist zouden zijn.

Ten slotte richtte het team zijn aandacht op roterende zwarwe gaten. In tegenstelling tot geladen zwarte gaten, die zeldzaam zijn in de natuur, draaien bijna alle waargenomen zwarte gaten snel rond. De vraag hier is of een zwart gat snel genoeg kan draaien om de extreme limiet te bereiken. De onderzoekers suggereren dat zelfs als een zwart gat heel dicht bij deze limiet komt, het waarschijnlijk in de loop van de tijd zijn spin zal verliezen. Ze stellen voor dat de achtergrondruis van zwaartekrachtgolven die door het universum rimpelen, kan interageren met een draaiend zwart gat en het impulsmoment wegzuigt. Hoewel dit proces traag zou zijn, werkt het als een constante rem, waardoor het zwarte gat nooit die perfecte, bevroren extreme toestand kan bereiken of behouden.

Het algemene beeld dat deze research schetst, is er een van een universum dat zich van nature verzet tegen de vorming van extreme zwarte gaten. Of het nu gaat om de snelle ontlading van elektrische lading, de instabiliteit van magnetische velden, of het langzame wegtikken van spin, de wetten van de fysica lijken samen te spannen om zwarte gaten net een stap verwijderd te houden van de extreme limiet. Dit betekent niet dat extreme zwarte gaten wiskundig gezien onmogelijk zijn, maar het suggereert sterk dat ze geen kenmerk zijn van onze fysieke realiteit. Voor wetenschappers die hopen deze objecten te gebruiken als testomgeving voor de diepste wetten van de kwantumzwaartekracht, is het nieuws sober: het perfecte extreme zwarte gat is misschien een prachtig idee, maar het is waarschijnlijk een object dat we nooit in de hemel zullen vinden. De zwarte gaten die wij observeren zijn waarschijnlijk bijna-extreem, maar nooit helemaal daar, eeuwig zwevend net onder de drempel van perfectie.