Natuurkundigen hebben een vreemde kromming in de ruimtetijd ontdekt die zwarte gaten kan nabootsen – totdat je heel dichtbij komt. Bekend als “topologische solitonen”, zouden deze theoretische knikken in het weefsel van ruimtetijd door het hele universum op de loer kunnen liggen – en het vinden ervan zou ons begrip van de kwantumfysica kunnen vergroten, volgens een nieuwe studie die op 25 april in het tijdschrift is gepubliceerd Fysieke beoordeling D.
Zwarte gaten het is misschien wel het meest teleurstellende object dat ooit in de wetenschap is ontdekt. Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt hun bestaan, en astronomen weten hoe ze ontstaan: een massieve ster hoeft alleen maar in te storten onder zijn eigen gewicht. Omdat er geen andere kracht beschikbaar is om het te weerstaan, blijft de zwaartekracht naar binnen trekken totdat al het materiaal van de ster is samengeperst tot een oneindig klein punt dat bekend staat als een singulariteit. Rondom deze singulariteit bevindt zich een waarnemingshorizon, een onzichtbare grens die de rand van het zwarte gat markeert. Alles wat de gebeurtenishorizon overschrijdt, kan er nooit uitkomen.
Maar het grootste probleem hiermee is dat punten met een oneindige dichtheid niet echt kunnen bestaan. Dus hoewel de algemene relativiteitstheorie het bestaan van zwarte gaten voorspelt, en we veel astronomische objecten hebben gevonden die zich precies gedragen zoals de theorie van Einstein voorspelt, weten we dat we nog steeds niet het volledige beeld hebben. We weten dat singulariteit moet worden vervangen door iets redelijkers, maar we weten niet wat dat is.
Verwant: Zijn zwarte gaten wormgaten?
Om dit te begrijpen, moet je een extreem sterke zwaartekracht op extreem kleine schaal begrijpen – iets dat kwantumzwaartekracht wordt genoemd. Tot op heden hebben we geen levensvatbare kwantumtheorie van de zwaartekracht, maar we hebben verschillende kandidaten. Een van die kandidaten is snaartheorieeen model dat suggereert dat alle deeltjes waaruit ons universum bestaat eigenlijk zijn gemaakt van kleine, trillende snaren.
Om rekening te houden met de grote verscheidenheid aan deeltjes die ons universum bewonen, kunnen deze snaren niet simpelweg trillen in de gebruikelijke drie ruimtelijke dimensies. De snaartheorie voorspelt het bestaan van extra dimensies, allemaal opgerold op een ongelooflijk kleine schaal – zo klein dat we niet kunnen zeggen dat deze dimensies bestaan.
En deze handeling van het oprollen van extra ruimtelijke dimensies op ongelooflijk kleine schalen kan leiden tot zeer interessante objecten.
In de nieuwe studie suggereerden de onderzoekers dat deze compacte extra dimensies defecten kunnen veroorzaken. Net als een kreukel die je maar niet uit je overhemd krijgt, hoe hard je het ook strijkt, zouden deze defecten vaste, permanente onvolkomenheden in de structuur van ruimtetijd zijn – een topologische soliton. Natuurkundigen suggereerden dat deze solitonen veel op zwarte gaten zouden lijken, zich zouden gedragen en mogelijk zouden ruiken.
De onderzoekers bestudeerden hoe lichtstralen zich zouden gedragen als ze in de buurt van een van deze solitonen komen. Ze ontdekten dat solitonen licht op vrijwel dezelfde manier zouden beïnvloeden als een zwart gat. Het licht zou rond de solitonen buigen en stabiele orbitale ringen vormen, en de solitonen zouden schaduwen werpen. Met andere woorden, de beroemde beelden van de Event Horizon-telescoopdie in 2019 inzoomde op het zwarte gat M87*, zou er bijna precies hetzelfde uitzien als het solitons in het midden van het beeld zouden zijn, in plaats van een zwart gat.
Maar van dichtbij zou de nabootsing eindigen. Topologische solitonen zijn geen singulariteiten, dus ze hebben geen waarnemingshorizon. Je kunt zo dicht bij een soliton komen als je wilt, en je kunt altijd vertrekken als je wilt (ervan uitgaande dat je genoeg brandstof hebt ingepakt).
Helaas hebben we geen zwarte gaten die dichtbij genoeg zijn om rond te graven, dus we kunnen alleen vertrouwen op waarnemingen van verre objecten. Als er ooit topologische solitonen worden ontdekt, zou de onthulling niet alleen een belangrijk inzicht zijn in de aard van de zwaartekracht, maar zou het ons ook in staat stellen om de aard van de kwantumzwaartekracht en de snaartheorie rechtstreeks te bestuderen.
