Waarom draaiende zwarte gaten minder lading opbouwen dan gedacht

Een zwart gat lijkt het ultieme niets: een plek waar zelfs licht niet aan kan ontsnappen. Toch kan een zwart gat wel degelijk elektrisch geladen raken, net als een batterij. Nieuw onderzoek laat zien dat die lading veel lager blijft dan natuurkundigen decennialang dachten.

Draaiende zwarte gaten die in een magnetisch veld zitten, trekken geladen deeltjes aan. Daardoor bouwen ze een elektrische lading op. Sinds de jaren zeventig bestaat er een berekening voor de maximale lading die zo'n zwart gat kan krijgen: de zogeheten Wald-waarde, genoemd naar de natuurkundige die deze bedacht. Die waarde hangt af van hoe zwaar het zwarte gat is, hoe snel het draait, en hoe sterk het magneetveld om hem heen is.

Lange tijd was onduidelijk of een echt zwart gat, omgeven door superheet, elektrisch geladen gas (plasma), daadwerkelijk die maximale lading bereikt. Een team van onderzoekers heeft dit nu onderzocht met computersimulaties. Ze gebruikten een programma genaamd GRZeltron, dat rekening houdt met de zwaartekrachtwetten van Einstein én met het gedrag van individuele deeltjes in het plasma rond het zwarte gat. Ook simuleerden ze hoe er telkens nieuwe deeltjesparen ontstaan in het extreme magnetische veld.

Twee startpunten, één uitkomst

De onderzoekers lieten hun simulatie twee keer draaien: één keer begon het zwarte gat zonder lading, de andere keer met de volledige, theoretisch maximale Wald-lading. Binnen enkele tientallen "zwaartekrachttijden" (een tijdseenheid die past bij de grootte van het zwarte gat) kwamen beide simulaties uit op precies dezelfde uiteindelijke lading.

Die uiteindelijke lading bleek veel lager dan de Wald-waarde. Voor zwarte gaten die niet al te snel draaien, kwam de lading uit op ongeveer 30% van het theoretische maximum. Bij zwarte gaten die extreem snel draaien, bijna op de kosmische snelheidslimiet, zakte de lading zelfs bijna naar nul.

De onderzoekers vonden ook een wiskundige formule die verklaart waarom dit gebeurt. Het plasma rond het zwarte gat zoekt als vanzelf een evenwicht op, waarbij de magnetische "stroomlijnen" met positieve en negatieve lading elkaar in balans houden. Dat evenwicht bepaalt hoeveel lading het zwarte gat uiteindelijk vasthoudt, ongeacht waar het mee begon.

Dit is belangrijk omdat zwarte gaten via dit soort elektrische en magnetische processen energie kunnen afgeven aan hun omgeving. Dat gebeurt bijvoorbeeld via het zogeheten Blandford-Znajek-mechanisme, waarmee een zwart gat energie uit zijn eigen draaiing haalt en wegstuurt als straling of deeltjesstromen. De onderzoekers laten zien dat de lagere lading dit proces niet in de weg zit: er blijft genoeg elektrisch potentiaalverschil over tussen de rand van het zwarte gat (de horizon) en de verre omgeving om energie te blijven onttrekken.

Wat betekent dit (nog) niet: Dit is een simulatiestudie, geen directe waarneming van een echt zwart gat in de ruimte. De berekeningen gaan uit van een vereenvoudigd, symmetrisch model van het magneetveld. Of echte, chaotische zwarte gaten in het heelal zich precies zo gedragen, moet nog verder onderzocht worden.

De uitkomst verandert niets aan hoe gevaarlijk of hoe zwart een zwart gat is. Wel geeft het natuurkundigen een preciezer beeld van de elektrische "motor" die sommige zwarte gaten gebruiken om enorme hoeveelheden energie de ruimte in te sturen.

Bron: Charging of rotating black holes: kinetic simulations of black hole magnetospheres