A wormhole with two black holes

De Kosmische Loodgieterij: Een Reis door het Weefsel van de Ruimtetijd

Stel je het universum niet voor als een plat, leeg podium, maar als een rekbaar, driedimensionaal weefsel. Dit is de speeltuin van Einsteins zwaartekrachttheorie, waar massieve objecten zoals sterren en zwarte gaten fungeren als zware bowlingballen die het weefsel om hen heen krommen. Meestal zien we dit weefsel als een enkel, doorlopend laken. Maar wat als je dat laken zou kunnen opvouwen en twee verre punten aan elkaar zou kunnen naaien? Je zou een kortere route creëren, een tunnel door ruimte en tijd die bekend staat als een "wormgat". Hoewel sciencefiction dol is op deze tunnels voor instant reizen, is de echte fysica veel strenger. Om een wormgat open te houden, heb je meestal "exotische" zaken nodig—materie die naar buiten duwt in plaats van naar binnen trekt, wat de gebruikelijke regels van de zwaartekracht tart. Toch vragen sommige natuurkundigen zich af of de natuur een sluiproute zou kunnen vinden om deze tunnels te bouwen met behulp van alleen de standaardregels van de zwaartekracht, door de vreemdheid misschien te verbergen in dunne, onzichtbare lijnen van spanning die "kosmische snaren" worden genoemd. Het begrijpen van deze theoretische structuren helpt ons de uiterste grenzen van onze natuurwetten te testen: waar breken ze af, en welke bizarre vormen kan het universum daadwerkelijk aannemen?

De Ontdekking van het Papier: Een Dubbel Zwart Gat Wormgat

In dit artikel onderzoekt natuurkundige Gérard Clément een zeer specifieke, wiskundige oplossing voor de vergelijkingen van Einstein—een reeks regels die beschrijft hoe zwaartekracht werkt in een vacuüm, wat betekent dat er geen gewone materie aanwezig is. Hij heeft een model geconstrueerd van een wormgat dat zowel stationair is (het verandert niet met de tijd) als gevuld is met een verrassend paar gasten: twee zwarte gaten die in dezelfde richting draaien, aan weerszijden van de tunnel geplaatst.

Beschouw dit wormgat als een kosmische zandloper. Het smalste deel in het midden is de "keel" die twee aparte universa (of twee verre regio's van hetzelfde universum) met elkaar verbindt. Normaal gesproken, als je twee zwarte gaten dicht bij elkaar plaatst, zouden ze ofwel tegen elkaar botsen of van elkaar wegvliegen. Om ze in een statische positie in balans te houden, heb je vaak een "stut" (een stijve staaf) of een "Misner-snaar" (een vreemde, onzichtbare lijn van spanning) nodig om ze op hun plaats te houden. Clément's oplossing is uniek omdat deze twee zwarte gaten niet met elkaar verbonden zijn door een dergelijke stut of snaar. In plaats daarvan zijn ze "opgehangen" aan de verre uiteinden van het wormgat door twee semi-oneindige kosmische snaren.

Stel je het wormgat voor als een brug tussen twee kliffen. De twee zwarte gaten zijn als zware lantaarns die op de brug staan. In plaats van aan elkaar vastgebonden te zijn, is elke lantaarn opgehangen aan een lange, onzichtbare touw dat uitsteekt naar de rand van de klif aan zijn zijde. Deze touwen zijn de kosmische snaren. Interessant genoeg kunnen deze snaren een "spanning" hebben die ofwel positief is (strak getrokken als een normaal touw) of negatief (naar buiten duwend), afhankelijk van de specifiekiem specifieke getallen die Clément in zijn vergelijkingen gebruikt. Deze opstelling maakt het mogelijk dat de zwarte gaten in evenwicht blijven zonder elkaar aan te raken.

Deze kosmische constructie gaat echter gepaard met enkele serieuze kanttekeningen. Het papier stelt vast dat voor bijna alle mogelijke instellingen van de parameters (de getallen die de massa en spin van het systeem definiëren), het wormgat een "naakte ringsingulariteit" bevat. Om dit te visualiseren: stel je een platte, draaiende ring van oneindige dichtheid voor die zich precies in het midden van de keel van het wormgat bevindt. In tegen_gestelde van een normaal zwart gat, dat zijn gevaarlijke centrum verbergt achter een waarnemingshorizon (een punt van geen terugkeer), is deze ring "naakt", wat betekent dat hij blootstaat aan de rest van het universum. Het papier laat zien dat als je langs een pad (een geodeet) naar deze ring reist, je reis daar simpelweg eindigt; het pad stopt abrupt.

Bovendien creëert de aanwezigheid van deze naakte ring een gebied waar de tijd vreemd gedraagt. De wiskunde suggereert dat er in een begrensde volume van dit wormgat "gesloten tijdachtige curven" bestaan. In simpelere termen betekent dit dat er paden door de ruimte zijn die in zichzelf teruglopen in de tijd, waardoor een object theoretisch naar zijn eigen verleden kan terugkeren. Hoewel dit klinkt als een tijdmachine, behandelt het papier dit als een wiskundig gevolg van de oplossing, niet als een praktisch apparaat.

De auteur merkt ook een speciaal, vereenvoudigd geval op. Als een specifieke dimensieloze parameter in de vergelijkingen exact op 1 wordt gezet, verdwijnen de kosmische snaren volledig (hun spanning wordt nul) en verdwijnt de naakte ringsingulariteit. In dit zeer specifieke scenario vereenvoudigt de complexe wormgat-oplossing en reduceert het tot de bekende oplossing voor een enkel draaiend zwart gat (het Kerr-zwarte gat). Maar voor het algemene geval beschreven in het papier, is het universum een veel vreemdere plek: een wormgat dat twee draaiende zwarte gaten vasthoudt, opgehangen door kosmische snaren, met een gevaarlijke, blootgestelde ring van oneindige dichtheid in het midden, terwijl het ook de mogelijkheid van tijdlussen toelaat.

Deze oplossing is een wiskundige ontdekking, afgeleid door een bekende oplossing met betrekking tot een "gravimagnetisch dipool" (een systeem van twee zwarte gaten verbonden door een Misner-snaar) te nemen en een wiskundige truc uit te voeren genaamd "analytische continuatie" om de verbindende snaar te transformeren in de twee hangende snaren en de wormgat-keel. Het is een theoretisch model, geen observatie van een echt object aan de hemel, maar het biedt een fascant kijkje in de wilde mogelijkheden die de vergelijkingen van de zwaartekracht toestaan.