In 1974 deed Stephen Hawking een van zijn beroemdste voorspellingen: dat zwarte gaten uiteindelijk volledig verdampen.
Volgens de theorie van Hawking zijn zwarte gaten niet perfect "zwart" maar zenden ze in feite deeltjes uit. Deze straling, meende Hawking, kon uiteindelijk genoeg energie en massa weghalen van zwarte gaten om ze te laten verdwijnen. Er wordt algemeen aangenomen dat de theorie waar is, maar ooit werd gedacht dat het bijna onmogelijk was om te bewijzen.
Voor het eerst hebben natuurkundigen deze ongrijpbare Hawking-straling echter getoond - tenminste in een laboratorium. Hoewel Hawking-straling te zwak is om door onze huidige instrumenten in de ruimte te worden gedetecteerd, hebben natuurkundigen deze straling nu gezien in een analoog van een zwart gat dat is gemaakt met behulp van geluidsgolven en enkele van de koudste, vreemdste materie in het universum.
Paren deeltjes
Zwarte gaten oefenen zo'n ongelooflijk krachtige zwaartekracht uit dat zelfs een foton, dat met de snelheid van het licht beweegt, niet kon ontsnappen. Hoewel het vacuüm van de ruimte over het algemeen als leeg wordt beschouwd, dicteert de onzekerheid van de kwantummechanica dat in plaats daarvan een vacuüm wemelt van virtuele deeltjes die in materie-antimaterie-paren in- en uitsterven. (Antimateriedeeltjes hebben dezelfde massa als hun materie-tegenhangers, maar tegengestelde elektrische lading.)
Normaal gesproken, nadat een paar virtuele deeltjes zijn verschenen, vernietigen ze elkaar onmiddellijk. Naast een zwart gat trekken de extreme zwaartekracht echter in plaats daarvan de deeltjes uit elkaar, waarbij het ene deeltje wordt geabsorbeerd door het zwarte gat terwijl het andere de ruimte in schiet. Het geabsorbeerde deeltje heeft negatieve energie, wat de energie en massa van het zwarte gat vermindert. Slik genoeg van deze virtuele deeltjes in en het zwarte gat verdampt uiteindelijk. Het ontsnappende deeltje wordt bekend als Hawking-straling.
Deze straling is zo zwak dat het voor ons momenteel onmogelijk is om deze in de ruimte te observeren, maar natuurkundigen hebben zeer creatieve manieren bedacht om ze in een laboratorium te meten.
De horizon van een watervalgebeurtenis
Natuurkundige Jeff Steinhauer en zijn collega's van het Technion - Israel Institute of Technology in Haifa gebruikten een extreem koud gas, een Bose-Einstein-condensaat genoemd, om de horizon van een zwart gat te modelleren, de onzichtbare grens waarboven niets kan ontsnappen. In een stromende stroom van dit gas plaatsten ze een klif, waardoor een "waterval" van gas ontstond; toen het gas over de waterval stroomde, veranderde het voldoende potentiële energie in kinetische energie om sneller te stromen dan de geluidssnelheid.
In plaats van materie en antimaterie deeltjes gebruikten de onderzoekers paren fononen of kwantumgeluidsgolven in de gasstroom. Het fonon aan de langzame kant kan tegen de stroom van het gas in reizen, weg van de waterval, terwijl het fonon aan de snelle kant niet gevangen kan worden door het "zwarte gat" van supersonisch gas.
'Het is alsof je probeert te zwemmen tegen een stroming die sneller gaat dan je zou kunnen zwemmen', vertelde Steinhauer aan WordsSideKick.com. 'Je zou het gevoel hebben dat je vooruitging, maar je ging echt terug. En dat is analoog aan een foton in een zwart gat dat probeert uit het zwarte gat te komen, maar door de zwaartekracht de verkeerde kant op wordt getrokken.'
Hawking voorspelde dat de straling van uitgezonden deeltjes zich in een continu spectrum van golflengten en energieën zou bevinden. Hij zei ook dat het kon worden beschreven door een enkele temperatuur die alleen afhankelijk was van de massa van het zwarte gat. Het recente experiment bevestigde beide voorspellingen in het sonische zwarte gat.
"Deze experimenten zijn een hoogstandje", vertelde Renaud Parentani, een theoretisch natuurkundige aan het Laboratoire de Physique Théorique van de Paris-Sud University, aan WordsSideKick.com. Parentani bestudeert ook analoge zwarte gaten, maar dan vanuit een theoretische hoek; hij was niet betrokken bij de nieuwe studie. "Het is een heel nauwkeurig experiment. Van de experimentele kant is Jeff op dit moment echt de wereldleider op het gebied van het gebruik van koude atomen om de fysica van het zwarte gat te onderzoeken."
Parentani benadrukte echter dat deze studie 'een stap in een lang proces' is. Deze studie toonde met name niet aan dat de fononparen gecorreleerd zijn op het kwantumniveau, wat een ander belangrijk aspect is van de voorspellingen van Hawking.
'Het verhaal gaat verder', zei Parentani. 'Het is helemaal niet het einde.'
