Na een temperatuur blijken zwarte gaten ook een druk te hebben

In de klassieke algemene relativiteitstheorie zijn zwarte gaten relatief eenvoudige objecten. Ze kunnen worden beschreven door slechts drie eigenschappen: massa, lading en rotatie. Maar we weten dat de algemene relativiteitstheorie een onvolledige theorie is. Kwantummechanica komt het meest tot uiting in het gedrag van kleine objecten, maar speelt ook een rol bij grote objecten zoals zwarte gaten.

Om zwarte gaten op kwantumniveau te beschrijven, hebben we een theorie van kwantumzwaartekracht nodig. We hebben nog geen volledige theorie, maar wat tot nu toe bekend is, is dat de kwantummechanica zwarte gaten complexer maakt, waardoor ze eigenschappen krijgen als temperatuur en misschien zelfs druk.

Bij de foto: Een artistieke impressie van het superzware zwarte gat in het centrum van een sterrenstelsel. Afbeelding: ESO/L. Calçada

Temperatuur is misschien wel de bekendste kwantumeigenschap van een zwart gat. Vanwege de vaagheid van kwantumdeeltjes kan energie niet volledig worden beperkt door de waarnemingshorizon van een zwart gat. Soms kan energie ontsnappen uit de zwaartekrachtgevangenis door een proces dat bekend staat als Hawking-straling (*). De hoeveelheid energie die ontsnapt is klein, maar het betekent dat zwarte gaten een (zeer koude) temperatuur hebben. En dat betekent dat zwarte gaten kunnen worden beschreven in termen van de wetten van de thermodynamica. Voor gewone materie beschrijft thermodynamica niet alleen de temperatuur van een object, maar ook eigenschappen zoals druk. Dat is waar deze nieuwe studie binnenkomt.

Bij de foto: De entropie van een zwart gat is gerelateerd aan het gebied van de waarnemingshorizon. Afbeelding: Jacob D. Bekenstein

Het team keek naar een thermodynamische eigenschap die bekend staat als entropie (**). Entropie is een subtiel concept, vaak beschreven als een maat voor de wanorde van een systeem of de hoeveelheid informatie die nodig is om een ​​systeem te beschrijven. Het heeft betrekking op de temperatuur van een object door de tweede wet van de thermodynamica. In zwarte gaten is entropie gerelateerd aan het oppervlak van een waarnemingshorizon. Natuurkundigen bestuderen entropie van zwarte gaten omdat het ons zou kunnen helpen fundamentele vragen over kwantumzwaartekracht te beantwoorden, zoals of een zwart gat informatie kan vernietigen.

Dus het team paste entropievergelijkingen toe op een eenvoudig zwart gat, in een poging erachter te komen wat er gebeurt als je de vergelijkingen van Einstein uitbreidt naar de kwantumtheorie, een veelgebruikte truc die bekend staat als de semi-klassieke benadering. Toen ze dit deden, kregen ze steeds vreemde extra termen in hun vergelijkingen die ze niet hadden verwacht. Deze termen waren niet logisch totdat het team ze in termen van druk bekeek. Het blijkt dat de extra termen werken als druk voor een zwart gat op dezelfde manier als gasatomen in een container druk creëren. Met andere woorden, als je de kwantumtheorie toepast op een zwart gat, krijg je zowel temperatuur als druk.

Net als bij de Hawking-temperatuur is deze kwantumdruk voor een zwart gat extreem klein. Het is veel te klein om de soorten zwarte gaten die we in het universum zien, te beïnvloeden. Maar het feit dat het bestaat, kan reële gevolgen hebben voor de meest extreme gebieden van de kosmos, zoals de oerknal. Dit specifieke model is te eenvoudig om op echte systemen toe te passen, maar het is een interessante aanwijzing voor een completere theorie van kwantumzwaartekracht.

Auteur: Jan Vyvey
Verwijzing: X. Calmet, F. Kuipers. "Quantum gravitatiecorrecties voor de entropie van een Schwarzschild zwart gat". Fysieke beoordeling D 104.6 (2021): 066012. [arXiv pre-print]
Bron: Universe Today, Dr. Brian Koberlein.

 
(*) Geniaal wetenschapper – zie https://nl.wikipedia.org/wiki/Stephen_Hawking

(**) Entropie is een belangrijk begrip in de thermodynamica. Het is op het meest fundamentele niveau een maat voor de waarschijnlijkheid van een bepaalde verdeling van microtoestanden (i.e. bewegingstoestanden van elementaire bouwstenen, zoals atomen en moleculen) binnen een geïsoleerd fysisch systeem. – zie https://nl.wikipedia.org/wiki/Entropie