Black holes with conical infinity in gravitational caloric theory

Eeuwenlang is de meest beroemde voorspelling van Einsteins relativiteitstheorie van de zwaartekracht de zwarte gat geweest: een regio in de ruimte die zo dicht is dat niets, zelfs licht niet, aan de aantrekkingskracht ervan kan ontsnappen. In de standaardversie van deze theorie zijn deze objecten opmerkelijk eenvoudig. Als je weet hoeveel massa ze bevatten, weet je bijna alles over hen; hun vorm is perfect bolvormig, en de ruimte om hen heen komt uiteindelijk tot rust in een vlakke, ongebogen staat die zich oneindig ver uitstrekt. Deze eenvoud is geruststellend, maar het laat een vraag open: zijn dit de enige mogelijke zwarte gaten, of zouden er anderen kunnen zijn die er van dichtbij zeer vergelijkbaar uitzien, maar zich op afstand anders gedragen? Om dit te beantwoorden, verkennen onderzoekers uitbreidingen van Einsteins theorie, waarbij nieuwe krachtvelden worden toegevoegd die mogelijk bestonden in het vroege universum of de manier waarop het kosmos vandaag de dag uitdijt, zouden kunnen beïnvloeden. Een dergelijke idee, bekend als de gravitationele calorische theorie, introduceert een specifiek type veld dat met zwaartekracht interageert. Hoewel deze theorie is bestudeerd voor haar effecten op het universum als geheel, hebben wetenschappers zich lang afgevraagd of zij zwarte gaten toestaat die verschillen van het standaardtype, of dat de theorie alle zwarte gaten dwingt om er exact hetzelfde uit te zien als de gaten die Einstein voorspelde.

Een team van natuurkundigen aan de Beijing Normal University heeft nu deze vraag aangepakt door de mogelijke vormen van zwarte gaten in deze uitgebreide theorie in kaart te brengen. Ze hebben niet simpelweg gezocht naar oplossingen of willekeurige computersimulaties gedraaid; in plaats daarvan behandelden ze de vergelijkingen die deze objecten beheersen als een kaart van een landschap, waarbij ze elke mogbare route volgden die een zwart gat zou kunnen nemen van zijn oppervlak tot aan de rand van het universum. Hun analyse onthult dat de theorie inderdaad zwarte gaten toestaat die verschillen van het standaardtype, maar met een zeer specifieke en verrassende wending. Deze nieuwe zwarte gaten kunnen er bijna identiek uitzien als de bekende exemplaren vlak naast hun gebeurtenishorizon en zelfs tot op de schaal van ons zonnestelsel, maar ze eindigen in een compleet andere geometrie in de verte. In plaats van dat de ruimte uitvloeit in een oneindig, vlak vlak, draait de ruimte rond deze objecten zich in een kegelvorm.

De onderzoekers ontdekten dat voor het bestaan van deze ongewone zwarte gaten de theorie moet voldoen aan een nauwkeurige relatie tussen haar interne parameters. Wanneer aan deze voorwaarde wordt voldaan, splitst de theorie zich in twee duidelijke mogelijkheden. De eerste is het bekende Schwarzschild-zwarte gat, dat op grote afstand perfect vlak is. De tweede is een nieuwe familie van zwarte gaten die beschikken over wat de auteurs een "conische oneindigheid" noemen. Stel je de ruimte rond een zwart gat voor als een vel stof. Voor een standaard zwart gat ligt dit vel perfect vlak terwijl je zich van het centrum verwijdert. Voor deze nieuwe zwarte gaten blijft het vel een lange tijd vlak, maar begint het uiteindelijk te versmallen, alsof er een stuk uit is gesneden of toegevoegd, waardoor het stof de vorm van een kegel aanneemt die zich oneindig ver uitstrekt. Deze kegelvorm betekent dat de totale hoeveelheid ruimte, of de "solide hoek", aan de uiterste rand van het universum anders is dan wat we verwachten in een vlak universum. Het is ofwel iets groter of iets kleiner dan de standaardwaarde, afhankelijk van de specifieke instellingen van de theorie.

Wat deze ontdekking bijzonder opvallend maakt, is hoe deze objecten hun ware aard kunnen verbergen. De studie toont aan dat deze conische zwarte gaten er voor een enorm bereik aan afstanden identiek uit kunnen zien als standaard zwarte gaten. Van de gewelddadige regio net buiten de gebeurtenishorizon tot aan de banen van de planeten in ons zonnestelsel, is de zwaartekracht die zij uitoefenen bijna identiek aan die van een normaal zwart gat. Het verschil wordt pas duidelijk op enorme, kosmische afstanden. Het punt waar de ruimte begint te buigen in een kegel hangt af van de sterkte van het nieuwe veld aan het oppervlak van het zwarte gat. Als dit vel zeer zwak is, vindt de overgang naar de kegelvorm heel ver weg plaats, waardoor de "nieuwe fysica" in een domein terechtkomt dat momenteel onmogelijk te observeren is met onze telescopen. Dit betekent dat een zwart gat vlak bij ons in de buurt kan zitten, er precies uitziet en zich precies gedraagt als de gaten die wij kennen, terwijl het in het geheim een conische structuur herbergt die zich uitstrekt in het diepe universum.

Het team onderzocht ook of deze objecten op natuurlijke wijze kunnen ontstaan. Ze identificeerden een specifiek pad in hun wiskundige landschap dat de gebeurtenishorizon verbindt met deze conische oneindigheid, waarmee ze bewezen dat dergelijke oplossingen wiskundig consistent en stabiel zijn. Ze vonden dat de enige manier om een perfect vlak universum aan het einde van de lijn te krijgen, het hebben van een volledig standaard zwart gat zonder enig extra veld is. Als er ook maar een spoor van dit nieuwe veld aanwezig is, moet het universum eindigen in een kegel. Dit sluit de mogelijkheid uit dat deze theorieën gemakkelijk "hairy" (met haar bezette) zwarte gaten produceren die vlak zijn in de oneindigheid; de theorie dwingt een keuze af tussen de vertrouwde vlakke wereld en deze nieuwe conische wereld. De onderzoekers merkten ook op dat hoewel deze oplossingen wiskundig solide zijn, we nog niet weten of de natuur ze daadwerkelijk creëert. Bepalen of een instortende ster van nature een van deze conische zwarte gaten vormt, of dat het louter wiskundige curiositeiten zijn, zal toekomstige studies vereisen die het gewelddadige proces van gravitationele instorting in realtime simuleren.

De implicaties voor hoe we zwaartekracht testen zijn subtiel maar significant. Omdat deze zwarte gaten onze lokale omgeving zo nauw kunnen nabootsen, zouden traditionele tests van de zwaartekracht, zoals het meten van de banen van planeten of de precessie van sterren, deze mogelijk niet detecteren. De onderzoekers berekenden dat de minuscule verschuivingen in planetaire banen veroorzaakt door deze objecten ongelooflijk klein zouden zijn, waarschijnlijk te klein om te meten met de huidige technologie, tenzij de overgang naar de kegelvorm relatief dicht bij het zwarte gat plaatsvindt. Echter, het feit dat dergelijke objecten mogelijk zijn, suggereert dat ons huidige begrip van zwaartekracht incompleet kan zijn in de meest extreme, zwakke-veldomgevingen. Het opent de deur naar een universum waarin zwarte gaten niet slechts eenvoudige, statische sferen zijn, maar complexe objecten die een verborgen geometrische handtekening dragen, wachtend om onthuld te worden door observaties van de meest verre uithoeken van de ruimte. Het werk bevestigt dat hoewel Einsteins beschrijving robuust is, er ruimte is voor een rijkere variëteit aan kosmische structuren die we nog niet hebben gezien.