Zwarte gaten redden het universum door hun antimaterie-tweeling te verslinden

In de eerste biljoenste van een seconde na de oerknal was het universum in feite een zelfmoordpact. Voor elk flintertje materie dat tot bestaan kwam, verscheen er een identieke tweeling van antimaterie die klaarstond om het aan te raken en onmiddellijk in een uitbarsting van pure energie te verdwijnen. Volgens alle wetten van de bekende natuurkunde had de kosmos een kortstondig vuurwerk moeten zijn dat niets anders achterliet dan lege straling. We zouden hier simpelweg niet moeten zijn.

De natuurkunde noemt dit het baryonasymmetrieprobleem. Het is de ultieme kosmische boekhoudkundige fout. Als materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden waren gecreëerd, zouden ze elkaar volledig hebben geannihileerd, wat een universum zou achterlaten zonder sterren, zonder planeten en zeker zonder mensen die zich afvragen waarom het licht uit was. Toch zijn we hier, zittend in een wereld die bijna volledig uit materie bestaat, terwijl de antimaterie-tweeling nergens te bekennen is.

Nikodem Poplawski, een theoretisch natuurkundige aan de University of New Haven, gelooft dat hij de dader achter deze kosmische roof heeft gevonden. Hij suggereert dat de ontbrekende antimaterie niet zomaar in het niets is opgelost; het is opgegeten. Specifiek werd het opgezogen door een zwerm primordiale zwarte gaten die ontstonden in de extreme, hoge dichtheid-chaos van het zeer vroege universum, waardoor gewone materie de aarde kon erven.

De ontbrekende helft van het universum is niet zomaar een filosofische nieuwsgierigheid. Als je een hand zou schudden met je antimaterie-dubbelganger, zou de resulterende explosie de grootste kernbom die ooit is gebouwd in het niet doen vallen. Deze inherente instabiliteit betekent dat elke onbalans, hoe klein ook, het lot van alles zou bepalen. Poplawski's theorie rust op een specifiek, subtiel verschil in hoe deze twee soorten deeltjes zich gedragen onder de verpletterende greep van zwaartekracht.

Primordiale zwarte gaten zijn de geesten van de vroege kosmos. In tegenstelling tot de zwarte gaten die we vandaag de dag zien, die ontstaan uit instortende sterren, zouden deze objecten direct gesmeed zijn uit de soep van de oerknal zelf. Ze zijn een vast onderdeel van de theoretische natuurkunde sinds Stephen Hawking ze in de jaren 70 voorstelde, hoewel ze frustrerend onzichtbaar zijn gebleven voor onze telescopen.

Poplawski betoogt dat deze kleine, oude zwaartekrachtputten een voorkeur hadden. In de omgeving met hoge energie van het vroege universum waren antimateriedeeltjes misschien iets zwaarder of bewogen ze anders dan hun materie-tegenhangers. Dit is niet zomaar een gok; recente experimenten hebben aangetoond dat bepaalde deeltjes, zoals mesonen, anders vervallen dan hun antimaterie-versies. Als antimaterie "zwaarder" of langzamer was, werd het een makkelijker doelwit.

Zwaartekracht is een geduldige jager, maar heeft een voorkeur voor langzaam bewegende prooien. Als antimateriedeeltjes tijdens de vroege fase van paarproductie inderdaad massiever waren dan materiedeeltjes, zouden ze met lagere snelheden hebben gereisd. Zoals elke orbitale mechanicus je kan vertellen, geldt: hoe langzamer een object beweegt, hoe groter de kans dat het wordt gevangen door een zwaartekrachtveld.

Poplawski suggereert dat deze primordiale zwarte gaten fungeerden als kosmische filters. Ze vingen de langzamere antimaterie op met een aanzienlijk hogere snelheid dan de sneller bewegende materie. Zodra een antimateriedeeltje de waarnemingshorizon overschrijdt, is het voor altijd uit ons waarneembare universum verdwenen. Wat buiten de gaten achterbleef, was een licht overschot aan materie.

Deze theorie verklaart niet alleen waarom we bestaan; het zou een hoofdpijndossier kunnen oplossen waar de teams van NASA's James Webb Space Telescope (JWST) momenteel mee kampen. Sinds de JWST terug is gaan kijken naar het begin der tijden, spot de telescoop supermassieve zwarte gaten die veel groter zijn dan ze zouden mogen zijn. Sommige van deze monsters, miljarden malen de massa van onze zon, verschijnen slechts 500 miljoen jaar na de oerknal.

Poplawski's theorie over het eten van antimaterie biedt een nette kortere weg. Als primordiale zwarte gaten in de eerste momenten van het universum druk bezig waren met het verslinden van grote hoeveelheden zware antimaterie, hadden ze een enorme voorsprong. Ze begonnen niet als kleine zaadjes; ze begonnen als volgevreten veelvraten. Door de antimaterie-tweeling van het universum op te eten, groeiden ze snel genoeg om de supermassieve ankers van de eerste sterrenstelsels te worden.

De spanning zit hem in het feit dat we nog steeds werken met Einstein's kaart van het universum, en zwarte gaten zijn de plaatsen waar die kaart begint te scheuren. De algemene relativiteitstheorie beschrijft zwarte gaten als singulariteiten — punten van oneindige dichtheid waar de wetten van de natuurkunde afbreken. De meeste natuurkundigen, inclusief Poplawski, vermoeden dat dit een teken is dat Einstein's theorie onvolledig is.

Als zwarte gaten geen oneindige punten van ondergang zijn, maar objecten met een interne structuur, verandert hun vermogen om materie (of antimaterie) op te slaan en te verwerken de zaak. Er is in de natuurkundige gemeenschap een groeiend gevoel dat naarmate onze beelden van zwarte gaten gedetailleerder worden, we zullen ontdekken dat Einstein's recept voor zwaartekracht herschreven moet worden. We zoeken naar een brug tussen de gigantische wereld van de zwaartekracht en de kleine wereld van kwantumdeeltjes.

Poplawski's model vermijdt veel van de "nieuwe natuurkunde"-vallen waar andere theorieën in trappen. Veel verklaringen voor de onbalans tussen materie en antimaterie vereisen het uitvinden van volledig nieuwe deeltjes of krachten die nog nooit in een laboratorium zijn gezien. Poplawski's idee gebruikt de ingrediënten die we al hebben — zwarte gaten en zwaartekracht — en past enkel de timing en de eetlust aan.

De moeilijkheid, zoals altijd bij de oerknal, is het bewijzen ervan. We kunnen niet teruggaan naar de eerste seconde van de tijd om deze zwarte gaten te zien eten. We worden echter wel beter in het luisteren naar het universum. Gravitatiegolven — rimpelingen in het weefsel van de ruimtetijd veroorzaakt door enorme botsingen — zouden het bewijs kunnen leveren dat Poplawski nodig heeft.

Als het vroege universum gevuld was met primordiale zwarte gaten, zouden ze een specifieke signatuur hebben achtergelaten in de achtergrond van gravitatiegolven. Op dezelfde manier zouden neutrino's — spookachtige deeltjes die door bijna alles heen gaan — informatie kunnen dragen uit dat tijdperk die licht niet kan overbrengen. Deze deeltjes fungeren als kosmische archeologen die gegevens terugbrengen uit een tijd dat het universum te ondoorzichtig was voor telescopen om te zien.

Er is ook de mogelijkheid om dit in onze eigen achtertuin te testen. Als materie en antimaterie inderdaad licht verschillende massa's of zwaartekrachtreacties hebben bij hoge dichtheden, zouden toekomstige deeltjesversneller-experimenten dit mogelijk kunnen detecteren. We onderzoeken momenteel dichtheden en afstanden die een decennium geleden onvoorstelbaar waren.

Het accepteren van deze theorie vereist een verschuiving in hoe we onze plaats in de kosmos zien. Meestal denken we aan zwarte gaten als de vernietigers van werelden — de donkere afvoeren in het centrum van sterrenstelsels waar licht gaat om te sterven. Maar in Poplawski's versie van de gebeurtenissen zijn zij de reden dat het feest überhaupt is begonnen.

Zonder deze oude, onzichtbare stofzuigers zou de materie waaruit je DNA bestaat, zijn vernietigd voordat het ooit de kans had om een atoom te worden. Het is een vreemde gedachte: we zijn ons leven misschien verschuldigd aan de objecten die we meestal associëren met het einde van alles. Als het universum een voorkeur heeft, dan lijkt het een voorkeur voor de overlevenden van het diner van een zwart gat.

Voor nu blijft de theorie een boeiend stukje wiskundig speurwerk. Het past bij de gegevens die we hebben van de JWST en adresseert het grootste mysterie in de kosmologie zonder dat daarvoor een hele nieuwe set regels moet worden uitgevonden. Maar totdat we een glimp opvangen van een primordiaal zwart gat of de ring van hun vroege vraatzucht detecteren, blijven we achter met een universum dat een prachtig, toevallig bijproduct is van een prehistorische kosmische maaltijd.