WHITE HOLE: GESCHIEDENIS, THEORIE EN HOE HET IS GEVORMD - FYSIEK - 2024

Het witte gat is een singulariteit van ruimte - tijd, behorend tot de exacte oplossingen van de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie. Deze singulariteiten hebben een zogenaamde gebeurtenishorizon. Dit betekent de aanwezigheid van een barrière, die in een wit gat niets van buitenaf kan binnendringen. Theoretisch is een wit gat een singulariteit die naar het verleden gaat.

Op dit moment heeft niemand er een kunnen waarnemen. Maar het is mogelijk dat we ons bestaan ​​te danken hebben aan het meest bijzondere van allemaal: de oerknal van 13,8 miljard jaar geleden kan worden beschouwd als een gebeurtenis veroorzaakt door een superzwaar wit gat.

Een grote massa zoals een planeet kan de ruimte-tijd vervormen. Bron: Mysid

De algemene relativiteitstheorie is van mening dat ruimte-tijd kan worden vervormd door het effect van versnelling of door de aanwezigheid van massieve objecten. Het is dezelfde theorie die het bestaan ​​van zwarte gaten voorspelde, waarvan witte gaten de tegenhanger zouden zijn. Daarom wordt het bestaan ​​van deze even goed mogelijk geacht.

Om de singulariteit tussen ruimte en tijd te vormen, is een fysiek mechanisme nodig. In het geval van zwarte gaten is bekend dat de oorzaak de ineenstorting van een superzware ster is.

Maar het fysieke mechanisme dat een witgatachtige singulariteit zou kunnen vormen, is nog niet bekend. Hoewel er zeker kandidaten zijn verschenen om hun mogelijke opleiding uit te leggen, zoals binnenkort zal blijken.

Verschillen tussen zwarte gaten en witte gaten

Veel van de bekende zwarte gaten zijn het overblijfsel van een superreus die van binnen is ingestort.

Wanneer dat gebeurt, nemen de zwaartekrachten zodanig toe dat niets dat dichtbij komt aan zijn invloed kan ontsnappen, zelfs niet het licht.

Daarom zijn zwarte gaten in staat om alles wat erin valt op te slikken. Integendeel, niets kon een wit gat binnendringen, alles zou eruit worden afgewezen of afgestoten.

Is het bestaan ​​van een dergelijk object mogelijk? Zwarte gaten bleven immers lange tijd bestaan ​​als wiskundige oplossing voor de veldvergelijkingen van Einstein, totdat ze werden gedetecteerd dankzij de zwaartekracht- en stralingseffecten die ze in hun omgeving veroorzaken, en onlangs werden gefotografeerd.

De witte gaten zijn daarentegen nog steeds verborgen voor kosmologen, als ze echt bestaan.

Geschiedenis van zijn ontdekking

De theorie van het bestaan ​​van witte gaten ging uit van de werken van Karl Schwarzschild (1873-1916), een Duitse natuurkundige en de eerste die een exacte oplossing vond voor de relativistische veldvergelijkingen van Albert Einstein.

Om dit te doen, ontwikkelde hij een model met sferische symmetrie waarvan de oplossingen singulariteiten hebben, dat zijn precies zwarte gaten en hun witte tegenhangers.

Het werk van Schwarzschild was niet bepaald populair, misschien omdat het tijdens de Eerste Wereldoorlog was gepubliceerd. Het duurde een paar jaar voordat twee natuurkundigen het zelfstandig begonnen in de jaren zestig.

In 1965 analyseerden wiskundigen Igor Novikov en Yuval Ne'eman de Schwarzschild-oplossingen, maar gebruikten ze een ander coördinatensysteem.

Op dat moment was de term wit gat nog niet bedacht. In feite stonden ze bekend als "achterblijvende kernen" en werden ze als onstabiel beschouwd.

Als tegenhanger van zwarte gaten probeerden de onderzoekers echter een fysiek object te vinden waarvan de aard compatibel was met dat voorspeld voor witte gaten.

Quasars en witte gaten

De onderzoekers dachten dat ze het vonden in quasars, de helderste objecten in het heelal. Deze zenden een intense stralingsstroom uit die detecteerbaar is door radiotelescopen, precies zoals een wit gat zou moeten.

De energie van quasars kreeg uiteindelijk een meer haalbare verklaring, gerelateerd aan zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels. En zo waren de witte gaten weer als abstracte wiskundige entiteiten.

Dus hoewel ze bekend zijn, hebben witte gaten veel minder aandacht gekregen dan zwarte gaten. Dit is niet alleen te wijten aan het feit dat men denkt dat ze onstabiel zijn, waardoor hun werkelijke bestaan ​​in twijfel wordt getrokken, maar ook omdat er geen redelijke hypothese bestaat over hun mogelijke oorsprong.

Zwarte gaten daarentegen ontstaan ​​door de ineenstorting van sterren door de zwaartekracht, een fysisch fenomeen dat goed is gedocumenteerd.

Mogelijke vondst van een wit gat

Onderzoekers zijn ervan overtuigd dat ze eindelijk een wit gat hebben ontdekt in het fenomeen GRB 060614, dat zich voordeed in 2006. Dit fenomeen is voorgesteld als de eerste gedocumenteerde verschijning van een wit gat.

GRB 060614 was een gammastraaluitbarsting die op 14 juni 2006 door Neil Gehrels 'Swift Observatory werd gedetecteerd, met bijzondere eigenschappen. Het betwistte een eerder gehouden wetenschappelijke consensus over de oorsprong van gammaflitsen en zwarte gaten.

De oerknal, waarvan sommigen geloven dat het een superzwaar wit gat was, kan op zijn beurt het resultaat zijn geweest van een superzwaar zwart gat in het hart van een onbekend sterrenstelsel in ons ouderuniversum.

Een van de moeilijkheden bij het observeren van een wit gat is dat alle materie er in een enkele puls uit wordt verdreven. Het witte gat mist dus de nodige continuïteit om waar te nemen, terwijl zwarte gaten voldoende persistentie hebben om gezien te worden.

Theorie

Einstein stelt dat massa, tijd en lengte sterk afhankelijk zijn van de snelheid van het referentiekader waarin ze worden gemeten.

Bovendien wordt tijd beschouwd als nog een variabele, met dezelfde betekenis als de ruimtelijke variabelen. Dus ruimte-tijd wordt gesproken als een entiteit waarin elke gebeurtenis en alle gebeurtenissen plaatsvinden.

Materie staat in wisselwerking met het weefsel van ruimte-tijd en past het aan. Einstein beschrijft hoe dit gebeurt met een set van 10 tensorvergelijkingen, ook wel de veldvergelijkingen genoemd.

Enkele belangrijke concepten in de relativiteitstheorie

Tensoren zijn wiskundige entiteiten waarmee de temporele variabele op hetzelfde niveau als de ruimtelijke variabelen kan worden beschouwd. De bekende vectoren zoals kracht, snelheid en versnelling maken deel uit van deze uitgebreide reeks wiskundige entiteiten.

Het wiskundige aspect van Einsteins vergelijkingen omvat ook concepten zoals de metriek, de afstand in zowel ruimte als tijd die twee oneindig nauwe gebeurtenissen van elkaar scheidt.

Twee punten in ruimtetijd maken deel uit van een curve die een geodetische wordt genoemd. Deze punten zijn verenigd op een afstand tussen ruimte en tijd. Een dergelijke weergave van ruimte-tijd wordt waargenomen in de volgende afbeelding:

De vorm van de kegel wordt bepaald door de lichtsnelheid c, die in alle referentieframes constant is. Alle evenementen moeten plaatsvinden binnen de kegels. Als er gebeurtenissen buiten hen zijn, is er geen manier om het te weten, omdat informatie sneller dan licht moet reizen om te worden waargenomen.

De veldvergelijkingen van Einstein laten een oplossing toe met twee singulariteiten in een leeg gebied (dat wil zeggen zonder massa). Een van die singulariteiten is een zwart gat en de andere is een wit gat. Voor beide is er een waarnemingshorizon, wat een sferische grens is met een eindige straal die de singulariteit omgeeft.

In het geval van zwarte gaten kan niets, zelfs geen licht, uit dit gebied komen. En in witte gaten is de waarnemingshorizon een barrière waar niets van buitenaf kan doordringen. De zwart-gat-oplossing in vacuüm bevindt zich in de lichtkegel van de toekomst, terwijl de wit-gat-oplossing zich in het verleden gebied van de lichtkegel bevindt.

De oplossingen van Einsteins vergelijkingen die een echt zwart gat bevatten, vereisen de aanwezigheid van materie, en in dit geval verdwijnt de oplossing die het witte gat bevat. Daarom wordt geconcludeerd dat als wiskundige oplossing, in de theorie van enkelvoudige oplossingen zonder materie, witte gaten bestaan. Maar dit is niet het geval wanneer materie in Einsteins vergelijkingen wordt opgenomen.

Hoe wordt een wit gat gevormd?

In 2014 stelden theoretisch natuurkundige Carlo Rovelli en zijn team aan de Universiteit van Aix-Marseille in Frankrijk voor dat witte gaten kunnen ontstaan ​​door de dood van een zwart gat.

Al in de jaren zeventig berekende de toonaangevende expert op het gebied van zwarte gaten, Stephen Hawking, dat een zwart gat massa verliest door de emissie van Hawking-straling.

Berekeningen van Rovelli en zijn team geven aan dat een dergelijke samentrekking van stralingsverlies van een zwart gat in de laatste fase een stuitering kan veroorzaken die een wit gat creëert.

Maar Rovelli's berekeningen geven ook aan dat in het geval van een zwart gat met een massa gelijk aan die van de zon, het ongeveer een biljard keer de huidige leeftijd van het heelal zou kosten om een ​​wit gat te vormen.

Witte gaten en donkere materie

Een seconde na de oerknal konden schommelingen in dichtheid in een snel uitbreidend heelal primordiale zwarte gaten produceren (zonder dat een stellaire ineenstorting nodig was).

Deze oerzwarte gaten zijn vele, vele kleiner dan die van stellaire oorsprong en kunnen verdampen totdat ze afsterven om plaats te maken voor een wit gat in een tijd die deel uitmaakt van het leven van het heelal.

Microscopische witte gaten kunnen erg groot zijn. Een stof ter grootte van een stofkorrel kan bijvoorbeeld een grotere massa hebben dan de maan.

Rovelli's team suggereert zelfs dat deze microscopisch kleine witte gaten donkere materie kunnen verklaren, een van de belangrijkste kosmologische mysteries.

Microscopische witte gaten zouden geen straling uitzenden; en aangezien ze kleiner zijn dan één golflengte, blijken ze onzichtbaar te zijn. Dit zou een andere reden kunnen zijn die zou verklaren waarom ze nog niet zijn gedetecteerd.

Referenties

1. Battersby, S. 2010. Eeuwige zwarte gaten zijn de ultieme kosmische kluis. Hersteld van: newscientist.com.
2. Choi, C. 2018. Witte gaten zijn misschien wel het geheime ingrediënt in mysterieuze donkere materie. Hersteld van: space.com.
3. Fraser, C. 2015. Wat zijn witte gaten?. Hersteld van: phys.org.
4. Meesters, Karen. 2015. Wat is een wit gat? Hersteld van curious.astro.cornell.edu
5. Wikiwand. Wit gat. Hersteld van: wikiwand.com