Iets, ver weg in de duistere regionen van de Oort-gordel, schopt planetenbanen ernstig in de war. Pogingen om Planeet Negen te vinden zijn tot nu toe echter faliekant mislukt. Enkele astronomen komen nu met een gedurfde theorie. Planeet 9 is geen planeet van 15 aardmassa’s, maar in werkelijkheid een zwart gat. Een zwart gat met de massa van een ijsreus of kleine gasreus is klein in afmeting, vrijwel onzichtbaar en is stabiel. Kan dit kloppen? En moeten we ons zorgen maken door de nabijheid van dit allesvernietigende object?
De jacht op Planeet Negen
De ijsreus Neptunus werd laat in de negentiende eeuw ontdekt aan de hand van verstoringen in de planeetbaan van Uranus. Toch verklaarde Neptunus, en de later ontdekte algemene relativiteitstheorie, niet alle afwijkingen in planeetbanen. De speurtocht naar een nieuwe, onbekende planeet begon. Na de ontdekking van Pluto door Clyde Tombaugh in de dertiger jaren bleef het een tijdje stil. Pluto verkreeg beroemdheid als de laatste planeet. Betere telescopen onthulden dat Pluto veel te klein is om deze zwaartekrachtsafwijkingen te kunnen veroorzaken. Met 0,2 procent van de massa van de aarde is Pluto zes keer kleiner dan de maan. En: Pluto blijkt slechts de eerst ontdekte vertegenwoordiger van een klasse ijsachtige objecten, de dwergplaneten of plutino’s.
Tot nu toe zijn alle pogingen om Planeet Negen te vinden mislukt. Wel hebben we een profiel: het gaat om een object van ongeveer tien tot vijftien maal zo zwaar als de aarde[1]. Hiermee komt de massa in de buurt van de ijsreuzen Uranus en Neptunus. Een planeet met deze grootte is niet te missen. Onze telescopen zijn nu zo goed, dat zelfs op zeer grote afstand, een Neptunus-achtig object duidelijk zichtbaar zou moeten zijn.
Mini-zwarte gaten
Hoe verstop je vijftien aardmassa’s? Het voor de hand liggende antwoord: een zwart gat. Zwarte gaten zijn relatief klein, extreem compact en laten zelfs geen licht ontsnappen. Alleen: we kennen slechts zwarte gaten die groter zijn dan enkele zonsmassa’s, de overblijfselen van ineengestorte sterren of de enorme zwarte gaten (denk aan miljoenen zonsmassa’s) in het centrum van sterrenstelsels. In theorie zijn kleinere zwarte gaten, bijvoorbeeld met de massa van de maan of de aarde, stabiel. Hawkingstraling is te zwak om dergelijke zwarte gaten uit elkaar te laten vallen tussen het moment van het ontstaan van het heelal en nu. Alleen kennen we geen realistisch mechanisme om dergelijke mini-zwarte gaten te scheppen.
Dat we een dergelijk mechanisme niet kennen, hoeft echter niet te betekenen dat dat mechanisme (en daarmee mini-zwarte gaten) niet bestaat. Onze kennis is verre van volledig. Het zal niet de eerste keer zijn dat we iets totaal onverwachts ontdekken.
Hoe kunnen we een mini-zwart gat waarnemen?
De diameter van de waarnemingshorizon van een zwart gat is recht evenredig aan de massa. Als de zon samengeperst zou worden tot een zwart gat, zou de waarnemingshorizon een doorsnede hebben van zes kilometer. De aarde zou een zwart gat opleveren met de grootte van een forse knikker, 18 mm doorsnede. ‘Planeet Negen’, met vijftien aardmassa’s, zou dus een doorsnede hebben van 1,8 x 15 = 27 cm. Dit is uiteraard veel te klein om op deze enorme afstand waar te kunnen nemen. Dit zou verklaren, waarom we “Planeet Negen” nog niet hebben gevonden. Er bestaat echter een manier om dergelijke zwarte gaten indirect waar te nemen. Ze verbuigen namelijk de ruimte om zich een zeer sterk. Met andere woorden: er ontstaat een zwaartekrachtslens. Dit zwaartekrachtslens-effect is wel vrij goed waar te nemen met moderne telescopen. Sterposities gaan namelijk verschuiven, als een mini-zwart gat (of ander zwaar object) tussen een ster en de telescoop beweegt. Dit is precies wat het Poolse onderzoeksprogramma Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) waargenomen heeft, elders in het Melkwegstelsel. Zware objecten met een massa rond de vijf aardmassa’s blijken door het Melkwegstelsel te zwerven. Dit kunnen zwerfplaneten zijn, de conventionele verklaring. Maar wat, als het in werkelijkheid primordiale zwarte gaten, overblijfselen van de Big Bang, zijn? En als de zon één van deze zwarte gaten heeft ingevangen?
Als Planeet Negen inderdaad in werkelijkheid een zwart gat is, dan zouden we een sterk lenseffect moeten kunnen waarnemen op relatief korte afstand van de aarde. Dat zou inhouden dat een bewegende telescoop, bijvoorbeeld aan boord van een satelliet, een sterke verschuiving van de zwaartekrachtslens zou waarnemen. Dit effect is te vergelijken met bijvoorbeeld dat van de schijnbare cirkelvormige beweging die nabije sterren als Alfa Centauri maken in de loop van een jaar. Dit weerspiegelt de veranderende positie van de aarde in de loop van het jaar. Door de auteurs wordt nog een tweede mogelijkheid genoemd. Als bepaalde theorieën over donkere materie juist zijn, moet er gammastraling vrij komen als donkere materie in het zwarte gat valt. Dit kan waar worden genomen als een zwakke gammabron.
Moeten we ons zorgen maken, als blijkt dat Planeet 9 inderdaad een zwart gat is?
Nee. De omloopbaan van ‘planeet 9′ is voor zover we weten, stabiel. Een zwart gat van enkele aardmassa’s dat in de buurt van de aarde zou komen zou inderdaad een verwoestende uitwerking hebben op onze planeet, maar dat zou een ’traditionele’ superaarde of ijsreus die de aarde zo dicht nadert ook hebben, puur en alleen door het enorme zwaartekrachtsveld. Er is alleen een indirect gevaar. Banen van kometen en planetoïden in de buurt kunnen richting het binnenste deel van het zonnestelsel worden afgebogen. Inslagen van planetoïden hebben in het verleden verwoestende gevolgen gehad op de aarde. Denk aan het uitsterven van bijna alle dinosauriërs en andere groepen dieren, rond de 65 miljoen jaar geleden.
Overvloedige energie
De nabijheid van een zwart gat zou juist goed nieuws zijn (zie deze video). Niet alleen zou het spectaculaire experimenten mogelijk maken. Zwarte gaten behoren namelijk tot de efficiëntste energieomzetters die we kennen. Als materie in een spiraalvormige baan in het zwarte gat valt en we al deze energie af konden tappen, zou in dit theoretische geval zo’n 6 procent (bij een stilstaand zwart gat) tot 42% (bij een zeer snel roterend zwart gat) van de massa in pure energie omgezet kunnen worden. Ter vergelijking; kernfusie zet slechts 0,7% van de massa om in energie. Zelfs in het ongunstigste geval van 6%, zou dit een zeer overvloedige energiebron betekenen. Het netto wereldenergieverbruik ligt in 2019 rond de 115 000 TWh. In massa uitgedrukt is dit 4,6 ton, het gewicht van een olifant. Als we zes procent van massa in energie konden omzetten, zou dit slechts 77 ton massa, willekeurige massa want zwarte gaten zijn niet kieskeurig, per jaar vergen om de gehele aarde een jaar van energie te voorzien. Dit is ongeveer het gewicht van een kleine blauwe vinvis. Per jaar. Kortom: we zouden wel eens onverwacht veel plezier van een zwart gat kunnen hebben.
Bronnen
1. Batygin, Konstantin and Brown, Michael E. (2016) Evidence for a Distant Giant Planet in the Solar System. Astronomical Journal, 151 (2). Art. No. 22. ISSN 0004-6256.
2. Jakub Scholtz, James Unwin, What if Planet 9 is a Primordial Black Hole? ArXiv pre-press server, 2019
Bij een zwart gat van 1 aardmassa blijft de ontsnappingssnelheid toch hetzelfde als bij de Aarde?
En dus veel minder dan 300.000 kilometer per seconde?
Ja, met één maar. Als je op precies dezelfde afstand van het zwarte gat zit, als van de kern van de aarde. Zit je op bijvoorbeeld honderd meter afstand van deze strandbal, dan eindig je hoogstwaarschijnlijk als een langgerekte sliert spaghetti door het extreem sterke zwaartekrachtsveld. En over die situatie hebben we het hier.
Een zwart gat moet toch minstens 3 zonnemassa`s hebben om te kunnen blijven bestaan?
Anders heeft het daar toch niet genoeg massa en zwaartekracht voor?
Om te ontstaan, bedoel je. Dat is juist, rond de 3,2 zonsmassa’s, de Volkov-limiet. In theorie kunnen ook kleinere zwarte gaten blijven bestaat, tot ongeveer de massa van de maan. Het probleem is meer: hoe kunnen deze zwarte gaten zich vormen?