Erick Vermeulen

Zwarte gaten uit het lab 24

Natuurwetenschap & Techniek

| maart 2005

NW&T/Erick Vermeulen

Boodschappers uit extra dimensies

Uitzicht Onze laatste blik op het heelal,als we vanaf het aardoppervlak recht omhoog zouden kijken, vlak voordat de Aarde instort tot een zwart gat. Door de intense zwaartekracht lopen alle lichtstralen krom en vervormt het beeld van het landschap en de hemelkoepel in extreme mate. In feite kan geen levend wezen in zo’n sterk zwaartekrachtsveld overleven.

De krachtigste versneller ter wereld, de LHC, schiet vanaf 2007 deeltjes zó hard op elkaar dat die mogelijk een zwart gat vormen. Volgens de relativiteitstheorie kan níets aan de zuigkracht van een zwart gat ontsnappen. Wordt vervolgens dus de hele Aarde opgeslokt? Fysici die ‘Einstein voorbij’ zijn, weten bijna zeker dat de wereld in 2008 nog bestaat. “Mochten die jongens in Zwitserland straks daadwerkelijk in staat zijn een zwart gat te creëren, dan moeten ze onmiddellijk worden gestopt,” stelt kosmoloog Vincent Icke resoluut.“Volgens een bekende stelling van zwarte-gatenexperts Roger Penrose en Stephen Hawking kan een zwart gat alleen maar groeien”, zegt hij.“En ten koste waarvan? Ten koste van jou en mij! En ten koste van de kat en de cavia! Dat gaat er allemaal aan.” In zijn werkkamer te Leiden – bovenin een modern, opzettelijk scheefhangend gebouw dat toch al aan de zwaartekracht ten onder dreigt te gaan – schetst de hoogleraar theoretische sterrenkunde aan de Universiteit Leiden en bijzonder hoogleraar kosmologie aan de Universiteit van Amsterdam het doemscenario:“Ieder elektron of proton dat in de buurt komt van zo’n mini zwart gat wordt opgevreten: alle omringende materie verdwijnt erin. In eerste instantie is het tempo waarin dat gebeurt gering, omdat het nog zo klein is. Maar zodra het groter wordt en een paar kilogram aarde heeft weggevreten gaat het steeds sneller. Daarna heb je misschien nog een jaar om je gebeden te zeggen en dan is het afgelopen.” Zwarte gaten zijn tot nu slechts bekend uit het verre heelal. Het betreft de ‘lijken’ van opgebrande sterren. Zolang een ster nog energie opwekt uit kernfusie, kan deze tegendruk bieden aan zijn eigen zwaartekracht. Naarmate de brandstof opraakt trekt de ster zich steeds meer samen. Een ster die maximaal tweemaal zo zwaar is als de Zon eindigt als witte dwerg of neutronenster, waarin de materie extreem samengeperst is. Een nog zwaardere ster gaat echter volledig aan zijn eigen zwaartekracht ten onder: hij stort volgens de huidige inzichten ineen tot een punt met oneindig hoge massadichtheid, een singulariteit. Rondom de singulariteit is de zwaartekracht zó sterk, dat zelfs licht er niet meer aan kan ontsnappen. De straal rond de singulariteit waarbinnen dat geldt heet de schwarzschildstraal, een maat voor de grootte en de massa van het zwarte gat. “We hebben er inmiddels enkele dozijnen ontdekt”, zegt Icke. “Zelfs in het centrum van onze Melkweg zit een zwart gat.” Dat weegt ongeveer een miljoen keer zo veel als de Zon, maar

Ernst van Eijk

z’n schwarzschildstraal is slechts drie miljoen kilometer, vier keer zo groot als de Zon. De Aarde ingestort tot zwart gat zou een straal van slechts negen millimeter hebben. De kans dat dit echt gebeurt als gevolg van een uit de hand gelopen experiment in een aardse deeltjesversneller acht Icke verwaarloosbaar.“Als je een zelf een zwart gat wilt maken, moet je een versneller bouwen zo groot als ons sterrenstelsel! Dat is al heel lang geleden uitgerekend met de algemene relativiteitstheorie. Er is geen enkele aanwijzing dat er iets mis is met die theorie.Alles wat wij ooit hebben gezien, gemeten en berekend op grote schaal – zoals bijvoorbeeld het zwaartekrachtsveld rondom neutronensterren – klopt tot op de laatste decimaal.” IJsklont Toch doen onheilspellende geruchten de ronde bij de bouw van elke nieuwe deeltjesversneller. Begrijpelijk, want telkens als natuurkundigen met een nóg sterkere versneller de grens van het bekende passeren, maken ze een sprong in het diepe. Immers, als ze al wisten wat die botsende deeltjes met hun energie zouden doen, hoefden ze hun kilometers lange versnellers en huizenhoge detectoren niet meer te bouwen. Eind 1999 vreesde men bijvoorbeeld dat een nieuwe Amerikaanse versneller (Rhic) ‘vreemde' materie zou creëren. Normale materie bestaat in laatste instantie uit elektronen en twee soorten quarks,‘up’ en ‘down’ genaamd. Botsingsexperimenten in deeltjesversnellers toonden aan dat er nog andere, zwaardere quarks bestaan, waaronder een soort die ‘strange’ gedoopt werd. Onder extreme omstandigheden zou een minuscuul klompje ‘vreemde’ materie kunnen ontstaan, opgebouwd uit onder andere strange quarks, dat energetisch stabieler is dan gewone materie. Gewone materie die in contact komt met zo’n strange nugget zal spontaan ook tot de ‘vreemde’ toestand vervallen, ongeveer zoals een glas onderkoeld water in één keer in een klomp ijs verandert als je er een ijsklontje in gooit. Ook dit proces is niet meer te stoppen totdat de hele aarde in één grote strange nugget veranderd is. Bij nader inzien bleek een stabiele strange nugget echter toch niet te kunnen bestaan.

www.natutech.nl

25

“Van het zwaartekrachtsveld van een molecuul weten wij niets. Maar dan ook écht niets.” Dit keer is het de nieuwe Europese versneller die voor onrust zorgt. Diep onder de grond van het onderzoeksinstituut Cern (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), bij Genève, sleutelen natuurkundigen aan wat vanaf 2007 de krachtigste deeltjesversneller ter wereld moet worden. Hoofddoel van de Large Hadron Collider (LHC) is het opsporen van het higgsdeeltje, de laatste bouwsteen in het Standaardmodel dat alle nu bekende deeltjesfysica omvat. Niet iedere fysicus gelooft echter met Icke dat een versneller zo groot als de Melkweg nodig is om een massa binnen z’n eigen schwarzschildstraal samen te persen. Speculerend op nieuwe natuurwetten die niet in het Standaardmodel passen, verwachten zij dat de LHC zelfs elke seconde een zwart gat zal produceren. Icke geeft toe dat de zwaartekrachttheorie die op grote schaal zo succesvol is, eigenlijk niet toepasbaar is op de microscopische schaal waarbinnen de protonen van LHC met elkaar botsen. “Het belangrijkste wat wij niet begrijpen over zwarte gaten”, zegt hij, “is hoe hun zwaartekrachtveld er op kleine schaal uitziet.” Het probleem met de hypothetische zwarte gaten afkomstig uit een deeltjesversneller is, dat ze zowel een extreem sterk zwaartekrachtsveld hebben als extreem klein zijn. Om hun gedrag netjes te beschrijven, heb je daarom een theorie nodig die naast zwaartekracht ook kwantummechanica bevat. Zulke kwantum-zwaartekrachtstheorieën bestaan wel, bijvoorbeeld snaartheorie, maar ze zijn allemaal omstreden en wiskundig onhandelbaar. “Het zwaartekrachtsveld rond een neutronenster en rond de Aarde kunnen we heel jofeltjes beschrijven”, zegt Icke. “Maar bij het zwaartekrachtsveld van iets dat zo klein is als een mandarijn begint ons begrip al te wankelen. En van het zwaartekrachtveld van een molecuul weten wij niets. Maar dan ook écht niets.” Raadsel “Voor het beschrijven van microscopische zwarte gaten is dus nieuwe natuurkunde nodig”, concludeert Robbert Dijkgraaf, universiteitshoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam.Volgens Dijkgraaf veranderen theoretische ingrediënten van de laatste paar jaar het klassieke beeld van Ickes ‘Melkwegversneller’ dramatisch.“Het is inderdaad vloeken in de kerk. Een moderne versneller levert botsingen tussen deeltjes op met een energie van een paar honderd miljard (1011) elektronvolt, terwijl men er altijd vanuit ging dat je voor productie van zwarte gaten minstens de zogeheten planckenergie nodig had, honderdmiljoenmaal zoveel (1019 elektronvolt). Dat veranderde onder ínvloed van de snaartheorie, maar niet uitsluitend door theoretische inzichten. Het nieuwe beeld van zwaartekracht op kleine schaal komt ook voort uit het raadsel

26

waarom één van de vier fundamentele natuurkrachten – zwaartekracht – zoveel zwakker is dan de andere drie.” Die vier fundamentele natuurkrachten bepalen, voorzover nu bekend, volledig hoe materie en energie zich gedragen, dus in feite hoe ons universum eruit ziet. Het enorme verschil in sterkte wordt al gedemonstreerd door een koelkastmagneetje dat een paperclip van de tafel tilt: dan overwint de elektromagnetische kracht van een paar gram metaal het zwaartekrachtsveld van de hele Aarde. De andere twee natuurkrachten, de ‘zwakke’ en de ‘sterke’ kernkracht, merken we in het dagelijks leven niet op omdat hun werking beperkt is tot atoomkernen – maar intrinsiek zijn de zwakke, sterke en de elektromagnetische wisselwerking ruwweg even sterk. De zwaartekracht is maar liefst een factor 1038 zwakker.“Dit zogeheten hiërarchieprobleem”, zegt Dijkgraaf,“verdwijnt als je aanneemt dat zwaartekracht intrinsiek, dat wil zeggen op die kleine schaal waar we er nog niets van weten, net zo sterk is als de andere drie.Als dat zo is kunnen er in LHC, waar botsende protonen elkaar extreem dicht naderen, wel degelijk zwarte gaten ontstaan.” Verborgen wereld Tijdens een open dag op het Amsterdamse Nikhef (Nationaal Instituut voor Kern- en Hoge Energie Fysica), legt de kersverse directeur Frank Linde aan de hand van een komische animatie uit hoe zwaartekracht stiekem net zo sterk kan zijn als de andere drie krachten.“Tot nu toe hebben we geen andere opties dan aan te nemen dat de wereld zich in meer dan drie ruimtedimensies afspeelt”, vertelt hij tot grote verbazing van het publiek.Achter Lindes rug kruipt een uit de kluiten gewassen mier – een grootbeeld projectie – over een bungelend touwtje.“Als wij, grote mensen, de mier van een afstandje zien koorddansen, lijkt het of hij maar twee kanten op kan: voorruit of achteruit. Dat komt omdat het vanuit ons perspectief lijkt alsof het touwtje enkel een lengte heeft. Maar als we inzoomen op het touwtje zien we dat het ook een dikte heeft – een extra dimensie die voor ons verborgen bleef vanwege zijn kleine afmeting. De wereld van de mier is dus niet één- maar tweedimensionaal: hij kan zowel voor- en achteruit als links- en rechtsom langs het touwtje kruipen.” Stel nu dat de mier het in zijn hoofd haalt om aan de ‘achterkant’ van het touwtje te gaan lopen. Dan zien wij hem, op zijn voelsprieten na, in een extra dimensie verdwijnen! Wat heeft een verlegen mier met zwaartekracht te maken? “Het zou kunnen dat ook zwaartekracht zich grotendeels verstopt in extra ruimtedimensies die we niet zien omdat ze te klein zijn”, vervolgt Linde.“Als dat zo is, verliest zwaartekracht een groot deel van zijn intrinsieke kracht omdat het weglekt in een veel groter volume dan de driedimensionale

Natuurwetenschap & Techniek

| maart 2005

ruimte waarin wij leven.Wij voelen dan een sterk verdúnde zwaartekracht. Maar op de schaal van de extra dimensies, waar púre gravitatie heerst, is de aantrekkingskracht veel en veel sterker.” “Nou is de grote vraag”, zegt Dijkgraaf,“of LHC ‘toegang’ heeft tot eventuele extra dimensies.Als je dat nieuwe ingrediënt in het verhaal brengt, wat afwijkt van gebruikelijke relativiteitstheorie en kwantummechanica, dan blijkt ineens dat die krankzinnig hoge planckenergie die een versneller nodig heeft om zwarte gaten te maken, naar beneden komt. Hoe ver, hangt voornamelijk af van het aantal extra dimensies en hun

grootte. Hoe meer extra dimensies en hoe groter ze zijn, hoe lager de planckenergie wordt. Nu is het bestaan van extra dimensies op zich al een oud idee, maar het leek er altijd op dat ze heel erg klein moesten zijn, anders zouden we ze gewoon waarnemen in onze experimenten. Een deeltjesversneller doet immers metingen op de schaal van subatomaire deeltjes.” Hoe meer energie er in de deeltjesbotsingen gestopt wordt, des te kleinere details zijn daarin nog te onderscheiden. Men concludeerde dat extra dimensies niet groter konden zijn dan de ‘resolutie’ van de huidige versnellers: 10-18 meter. Die conclusie bleek voorbarig.

CERN

(In)stabiel Een van de vier grote LHC-detectors, waarin vanaf 2007 misschien zwarte gaten ontstaan. Volgens de theorie spatten die onmiddellijk weer uiteen, en registreert de detector de vervalproducten. Als ze toch stabiel zijn vallen ze ongemerkt naar buiten, op weg naar het centrum van de Aarde.

www.natutech.nl

27

Rampscenario Fysici weten bijna zeker dat dit nooit zal gebeuren…

“Een deeltjesversneller meet weliswaar op subatomaire afstanden”, vervolgt Dijkgraaf,“maar gebruikt daarvoor de krachten waarmee de deeltjes onderling wisselwerken.Tot nu toe was zwaartekracht in botsingsexperimenten volkomen verwaarloosbaar ten opzichte van de andere drie. Deeltjesversnellers meten dus met alles behalve zwaartekracht.Als je daarentegen een ‘microscoop’ zou bouwen die enkel met zwaartekracht werkt, haal je met de huidige techniek een resolutie van slechts 0,15 millimeter! In 1998 kwam men met het volgende idee:‘Stel nu dat extra dimensies discrimineren, in die zin dat ze uitsluitend toegang verlenen aan de zwaartekracht en níet aan alle andere krachten en materie. Dan kunnen we ze alleen maar ontdekken via zwaartekrachtexperimenten, dat wil zeggen met zo’n onnauwkeurige zwaartekracht- ‘microscoop’. Extra dimensies kunnen dan zo dik zijn als een mensenhaar zonder dat we ze ooit hebben opgemerkt.” Plakken Het idee dat extra dimensies een voorkeursbehandeling geven aan zwaartekracht, is enigszins plausibel omdat zwaartekracht toch al het buitenbeentje van de natuur is. Zwaartekracht werkt in op álle deeltjes en is altijd aantrekkend, terwijl de overige krachten slechts bepaalde deeltjes lastigvallen, en zowel aantrekken als afstoten. De diverse krachten tussen deeltjes worden zelf ook weer overgedragen door elementaire deeltjes.Voor de elektromagnetische kracht zijn dat de fotonen die we met onze eigen ogen kunnen waarnemen, voor de zwaartekracht is dat in theorie het graviton, maar dat is nog nooit waargenomen. De snaartheorie levert theoretische argumenten dat extra ruimtedimensies bestáán en dat ze alleen toegankelijk zijn voor zwaartekracht. In de snaartheorie zijn elementaire deeltjes geen punten, maar snaartjes. De manier waarop een snaar vibreert bepaalt alle eigenschappen van het deeltje (zoals de massa en de elektrische lading). De snaren kunnen echter alleen maar de bekende elementaire deeltjes beschrijven als ze mogen trillen in meer dan drie ruimtedimensies.“De standaard snaartheorie had maximaal zes extra dimensies”, zegt Dijkgraaf,“maar een paar jaar geleden bleek dat er ook oplossingen zijn in zeven extra dimensies.” Het idee dat onze we-

28

reld op kleine schaal meer dan drie dimensies bevat, is volgens Dijkgraaf niet zo gek als het lijkt:“Op microscopische schaal heersen de wetten van de kwantummechanica. Een extreme kleine ruimte kun je niet onderzoeken, want onzekerheidsprincipes uit de kwantumtheorie gooien roet in het eten. Dus op zo’n kleine schaal bekeken, moet je het begrip dimensie met een flinke korrel zout nemen.” Gravitonen laten zich enkel beschrijven als trillingen van gesloten snaren (vergelijkbaar met gesloten elastiekjes), terwijl alle andere deeltjes voortkomen uit vibraties van open snaren (doorgeknipte elastiekjes). Dijkgraaf :“We kennen maar één deeltje dat een gesloten snaar moet zijn, en wel het graviton.”Wellicht is hun ‘geslotenheid’ de reden dat gravitonen op geheime plaatsen mogen komen. Dat is inderdaad het geval in het zogenaamde brane world scenario. In dit beeld zitten de uiteinden van een open snaar vastgeplakt aan onze vertrouwde driedimensionale wereld. Daardoor kunnen open snaren wel in de extra dimensies trillen, maar er niet naar ontsnappen. Gesloten snaren hebben geen uiteinden, en zijn dus vrij om te gaan en staan waar ze willen. Of het brane world scenario nu juist is of niet, het is een voorbeeld van een model met extra dimensies waarin uitsluitend gravitonen kunnen bewegen. Combineer je de theoretische met de experimentele randvoorwaarden, dan wordt de zwaartekracht die wij ervaren wellicht enorm verdund door extra dimensies. De energie die een deeltjesversneller nodig heeft om zwarte gaten te produceren daalt dan drastisch. “Toevallig heb ik net even de nieuwste getallen opgezocht”, zegt Dijkgraaf . " Als onze wereld twee of drie extra ruimtedimensies heeft die zo groot zijn als experimenteel is toegestaan, daalt de planckenergie al tot zo’n 10 tera-elektronvolt (1 TeV = 1012 elektronvolt). Bij vier extra dimensies wordt dat 4 TeV, en bij vijf extra dimensies kan een versneller al met 1 TeV zwarte gaten creëren. Het hangt heel erg af van de theoretische details, maar het komt akelig dicht in de buurt van het energiebereik van LHC. De meest optimistische modellen voorspellen zelfs dat LHC elke seconde een zwart creëert. Dus dat wordt heel spannend!”

Natuurwetenschap & Techniek

| maart 2005

Karin Schwandt/ NW&T

Over het gevaar van een zwart gat in het laboratorium is veel te doen geweest”, vervolgt Dijkgraaf,“omdat mensen zich zorgen maken dat zo’n ding de hele Aarde opslokt.” Dijkgraaf begrijpt wel waar die bezorgdheid vandaan komt: “In zeer goede benadering voldoen de grote zwarte gaten die kosmologen onderzoeken aan de zwaartekrachtswet van Einstein. Die wet voorspelt inderdaad dat zwarte gaten stabiel zijn en alleen maar kunnen groeien, omdat ze alle materie opvreten en niets meer uitspugen. Maar microscopisch kleine zwarte gaten leven maar een fractie van een seconde voor ze uit elkaar spatten. Ze lijken sterk op radioactieve deeltjes.” Dat zwarte gaten spontaan straling uitzenden en daardoor als het ware verdampen, voorspelde Stephen Hawking dertig jaar geleden. Zijn inzicht borduurt voort op de voorspelling van de kwantumtheorie dat overal in de ruimte spontaan en vanuit het niets virtuele deeltjesparen ontstaan. Zo’n paar bestaat uit een deeltje en zijn antideeltje, bijvoorbeeld een elektron en een positron.Wegens energiebehoud moet de totale energie van het paar nul zijn, dus zal één deeltje positieve energie hebben en het andere negatieve energie. Normaliter vernietigen virtuele deeltjes elkaar vrijwel direct weer nadat ze zijn ontstaan, zodat de buitenwereld niets van hun bestaan merkt.Toch blijkt het wel degelijk nodig om zulke virtuele processen mee te nemen in berekeningen over de krachten tussen elementaire deeltjes, om resultaten te krijgen die kloppen met de experimenten. Vlakbij de schwarzschild-rand van een zwart gat, zo beredeneerde Hawking, spelen virtuele deeltjesparen een andere rol. Het kan dan gebeuren dat één van beide deeltjes in het gat valt terwijl het andere ontsnapt.Voor een waarnemer op afstand lijkt het alsof het zwarte gat een deeltje met positieve energie uitzendt. De totale energie blijft behouden doordat het zwarte gat het deeltje met negatieve energie invangt. Dit deeltje slurpt een beetje positieve energie van het zwarte gat op.Aangezien massa een vorm van energie is mag je ook zeggen dat het ingevangen deeltje wat massa van de singulariteit afsnoept. Uit Hawkings berekeningen bleek ook dat kleine zwarte gaten juist meer virtuele deeltjes invangen dan grote.

Elk zwart gat doorloopt zo dus z’n eigen rampscenario: naarmate het massa verliest krimpt het, waardoor het steeds vaker virtuele deeltjes invangt en in steeds hoger tempo afslankt.Tenslotte spat de singulariteit uit elkaar in een fontein van alle mogelijke soorten deeltjes. Kosmische zwarte gaten zijn zo groot dat ze praktisch geen hawking-straling uitzenden en veel langer leven dan het heelal nu oud is. De LHC, echter, levert hoogstens de botsingsenergie om een zwarte gat met een straal van 10-18 meter te maken. Dat is erg klein; in een afbeelding op schaal waarin het zwarte gat zo groot is als een knikker, zou een atoom zo groot zijn als de Maan. Door de intense hawking-straling zijn deze microscopische zwarte gaten binnen 10-27 seconde weer verdampt, ongeveer de tijd die een lichtstraal nodig heeft om een rondje om het zwarte gat te maken. Frank Linde houdt zijn horloge omhoog en wijst naar de afbeelding op de wijzerplaat.“Hier zie je een computersimulatie van het verval van een zwart gat, zoals de Atlasdetector dat zou registreren.Atlas, waar het Nikhef voor een fors deel aan meebouwt, is één van de vijf grote detectoren die straks bij LHC metingen gaan doen. Het is een general purpose detector, en kan zoals je ziet ook uit elkaar spattende zwarte gaten ontdekken.” Fysici bij Cern hopen juist dat de LHC zulke zwarte gaten gaat produceren. De exacte manier waarop ze uiteenspatten vertelt hoeveel extra dimensies onze wereld heeft, en kan onmisbare aanwijzingen opleveren om tot een echte kwantumzwaartekracht-theorie te komen. Mogelijk duikt het Higgs-deeltje zelfs veel vaker op in de uiteenspattende zwarte gaten dan in de vervalproducten van de normale proton-proton botsingsen waarvoor de LHC ontworpen is. Dan zou het ongrijpbare higgs-deeltje binnen een uur gevonden kunnen zijn, terwijl meer orthodoxe schattingen uitgaan van maanden- of jarenlang metingen doorvlooien. Weddenschappen Maar het zal niet de eerste weddenschap over zwarte gaten zijn die Hawking verliest.Theoretisch moeten direct na de Oerknal waaruit ons heelal ontstond,

www.natutech.nl

29

CERN

Verval Simulatie van het spontaan uiteenvallen van een mini zwart gat in de Atlas-detector. Bestudering van de vervalsproducten kan informatie opleveren over verborgen, extra dimensies van onze wereld.

grote aantallen zwarte gaten ontstaan zijn, waarvan een deel zo klein was dat ze al lang weer uiteengespat zijn. Er is geprobeerd de karakteristieke straling van die uiteenspattende mini zwarte gaten - vooral anti-protonen en gammastraling - in het verre heelal waar te nemen, maar zonder succes. Dat kan twee dingen betekenen: of ze kwamen in het voor ons zichtbare deel van het heelal nauwelijks voor, of Hawking heeft ongelijk en zwarte gaten zijn toch stabiel. De hawking-straling van de grote, nu bekende zwarte gaten in het heelal is sowieso veel te gering om waarneembaar te zijn. "Toch zijn er wat dat betreft weinig twijfels," stelt Dijkgraaf. "Hawking-straling is de consequentie van twee, ieder voor zich goed geteste onderdelen van de natuurkunde: de

30

relativiteitstheorie en de kwantumveldentheorie. Het zou een enorme verrassing zijn als hier iets niet klopt. Uiteindelijk vertrouwen we op een van de meest fundamentele principes die we kennen: de natuurwetten laten altijd toe dat je de richting van de tijd omkeert. Met andere woorden: alles wat je kunt maken, bijvoorbeeld in een deeltjesversneller, zal ook weer vervallen." Zelfs als een microscopisch zwart gat tegen alle verwachting in stabiel is, komt het rampscenario maar traag op gang. Omdat het gat geen straling of deeltjes uitzendt, wordt het door de detectors van de LHC niet waargenomen.Aange-

Natuurwetenschap & Techniek

| maart 2005

Complexe ruimte Als de ruimte meer dan drie dimensies heeft, wordt de structuur ervan ook gecompliceerder.

nomen dat het alleen interactie heeft met andere elementaire deeltjes via de relatief zeer zwakke zwaartekracht, zal het vanwege z'n kleine afmeting geruisloos en vrijwel ongehinderd door alle materie heen gaan en vanuit de LHC bij Genève in ongeveer anderhalf uur een baan rond het middelpunt van de aarde gaan beschrijven, net als een satelliet in een lage omloopbaan. In het begin zal slechts heel af en toe een elektron of atoomkern bij toeval zo dicht in de buurt van het zwarte gat komen dat het wordt opgeslokt.Maar met iedere annexatie groeit het gat, en dus de kans om weer nieuwe materie op te slokken. Ook wordt het gat hierdoor geleidelijk afgeremd, zodat het in een spiraalbeweging naar het middelpunt van de aarde zakt. Pas na honderdduizenden jaren loopt het proces plotseling totaal uit de hand en wordt de Aarde van binnenuit verzwolgen. De Aarde zal dan niet volledig in het zwarte gat verdwijnen, als astronomische waarnemingen maatgevend zijn. Wanneer een ster instort tot een zwart gat of neutronenster, ontstaat rond dit compacte object vaak een accretieschijf, een razendsnel ronddraaiende, gloeiendheet samengeperste schijf restmateriaal, terwijl loodrecht daarop twee bundels straling en hoog-energetische deeltjes worden uitgestoten.Vanaf de binnenrand van de accretieschijf stort het restmateriaal geleidelijk aan neer op het compacte object. Een flink deel van de totale massa van de Aarde zal worden omgezet in energie en uitgestoten via twee jets.Wellicht kan de Maan de catastrofe van de Aarde overleven, als haar omloopbaan niet toevallig door een van de bundels gaat.

Bliksems “Ik heb met mijn vrouw wel eens in een weiland gezeten terwijl het bliksemde”, vertelt Linde.“Onder het motto dat je in je auto veilig bent vanwege de metalen kooiconstructie en de rubberen banden. Maar na tien minuten zei ik: het is wel goed, we gaan naar huis.Want het sloeg aan alle kanten om ons heen in. En de theorie kan wel van alles vertellen, maar niet als het om mijn leven gaat! " Gelukkig is er ook een praktisch argument voor de onschadelijkheid van in het lab geproduceerde zwarte gaten. De Aarde wordt voortdurend gebombardeerd door kosmische straling. Daarin komen deeltjes voor met een energie van 100 TeV, tien keer meer energie dan LHC kan leveren. Dus als LHC zwarte gaten kan maken, kunnen die dat ook. Dat doen ze al miljarden jaren, en we bestaan nog. Die geruststelling geldt natuurlijk niet meer als de mens een versneller bouwt die deeltjes tot nog hogere energieën opjaagt dan in kosmische straling. Naar het schijnt dromen Amerikaanse fysici in Fermilab al van een VLHC, een Very Large Hadron Collider, die uiteindelijk 200 TeV moet halen. Informatie Dossier Zwarte Gaten op Kennislink www.kennislink.nl/web/show?id=113641 Virtuele excursies naar compacte objecten antwrp.gsfc.nasa.gov/htmltest/rjn_bht.html New Scientist over rampscenario’s www.kressworks.com/Science/A_black_hole_ate_my_planet.htm

www.natutech.nl

31