Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. In deze rubriek elke maand een mooi voorbeeld. Ditmaal: ontsnapte het bizar energierijke neutrino van eerder dit jaar aan een minuscuul zwart gat?

Afgelopen februari kwam het team achter de neutrinotelescoop KM3NeT met een verrassende melding: deze verzameling detectors op de bodem van de Middellandse Zee had een neutrino waargenomen met de hoogste energie ooit. Voor dit tijdschrift aanleiding om de rubriek In 5 minuten te wijden aan deeltjesrecords (zie KIJK 5/2025), voor theoretici het startschot om allerlei mogelijke verklaringen te bedenken voor dit onverwachte resultaat. Bij wat voor gebeurtenis, ergens ver weg in het heelal, is dit deeltje ontstaan?

Eén zo’n verklaring komt uit de koker van de Italiaanse natuurkundigen Andrea Boccia en Fabio Iocco. Zij stellen dat het neutrino in kwestie weleens zou kunnen zijn ontstaan bij het verdampen van een zwart gat. Daarbij hebben we het dan niet over een ‘normaal’ zwart gat dat je overhoudt als een zware ster is geëxplodeerd. Dit neutrino zou het heelal in zijn geschoten bij het verdampen van een extreem licht zwart gaatje dat vlak na de oerknal, 13,8 miljard jaar geleden, moet zijn ontstaan.

Meer van Far Out:

• ‘Bizar moeilijk te vinden neutrino’s kun je spotten met bomen’
• Quantumzwaartekracht-theorie: de heilige graal van de natuurkunde

Twee olifanten

Dat zwarte gaten verdampen, is niet zo controversieel. We hebben het weliswaar nog nooit zien gebeuren, maar het idee wordt vrij breed omarmd door wetenschappers. Degene die dit proces voorspelde, was dan ook niet de minste: de Britse natuurkundige Stephen Hawking. Die beschreef eind jaren zeventig hoe zwarte gaten – waar normaal gesproken alleen maar dingen ín verdwijnen – toch straling kunnen uitzenden; straling die nu bekendstaat als hawkingstraling. En doordat een zwart gat die straling uitzendt, wordt het gaandeweg steeds lichter, om uiteindelijk zelfs helemaal te verdwijnen.

Daarbij geldt: lichte zwarte gaten zenden deeltjes uit met een hoge energie, zware gaten deeltjes met een lage energie. Het extreem energierijke neutrino dat KM3NeT mat, moet dus zijn uitgestraald door een heel licht zwart gat. Om precies te zijn: eentje lichter dan zo’n 10.000 kilogram. Oftewel: minder dan twee olifanten bij elkaar.

Prima, zou je zeggen: zoeken we zo’n gat. Maar alle zwarte gaten die we tot nu toe hebben waargenomen, zijn minstens een paar keer zo zwaar als onze zon – en die weegt 2 miljard miljard miljard ton. Niet zo gek ook, want deze zwarte gaten zijn de restanten van sterren met massa’s veel hoger dan die van de zon, die zijn geëxplodeerd als supernova na al hun brandstof te hebben opgebruikt. En dan houd je nooit een gat over waarvan de massa op een zinnige manier in olifanten is uit te drukken.

Geheugenlast

Maar Boccia en Iocco zijn – pun intended – niet voor één gat te vangen. Na de oerknal, zo is de verwachting, waren er misschien zogenoemde oer-zwarte-gaten, en die konden álle denkbare massa’s hebben. Daar zaten dus ook exemplaren tussen die licht genoeg waren om via hun hawkingstraling het KM3NeT-neutrino te produceren.

Probleem dáármee is dan weer dat zulke lichte gaten heel snel ‘opverdampen’: waar de bekende zwarte gaten er onvoorstelbaar lang over doen om te verdwijnen, is daar bij een zwart gat van twee olifanten een honderdduizendste van een seconde voor nodig. Oftewel: zulke zwarte gaten waren er maar héél even, héél kort na de oerknal. En een neutrino dat bij het verdampen van zo’n gat ontstond, zou in de 13,8 miljard jaar sindsdien zoveel energie zijn kwijtgeraakt dat KM3NeT het niet had opgemerkt.

Maar ook dat doet het scenario van Boccia en Iocco niet per se de das om. Sinds 2018 publiceren wetenschappers namelijk over een verschijnsel dat het verdampen van zwarte gaten flink vertraagt: de zogenoemde memory burden of, in goed Nederlands, de geheugenlast. “Je kunt een zwart gat zien als een harde schijf waarop data zijn opgeslagen”, schetst Iocco dit idee. Als een zwart gat verdampt, gaat die informatie gaandeweg verloren, maar dat proces verloopt niet tot het eind even snel. “Naarmate het zwarte gat krimpt, wordt de resterende informatie steeds dichter op elkaar gepakt. Daarbij ontstaat een soort weerstand die het verdampingsproces vertraagt.” En dat kan flink verschil maken. Neem je deze geheugenlast in aanmerking, dan kan zo’n zwart gaatje dat normaal gesproken na een honderdduizendste van een seconde verdwenen zou zijn ineens tot nu overleven.

Kwestie van geluk

En is het daarmee dan aannemelijk dat het gemeten neutrino is uitgestraald door zo’n klein zwart gat? Nee, geeft Iocco toe – maar volgens hem zal er hoe dan ook een zeldzame gebeurtenis achter het neutrino in kwestie zitten, en is het alleen de vraag wélke zeldzame gebeurtenis.

Toch is natuurkundige Aart Heijboer van het deeltjesinstituut Nikhef, betrokken bij de KM3NeT-waarneming, niet erg enthousiast over het scenario van Boccia en Iocco. “Wat ze voorstellen, is inderdaad een van de vele mogelijke verklaringen. Maar het is veel waarschijnlijker dat het neutrino is ontstaan doordat een proton met een hoge energie – deeltjes waarvan we weten dat ze door het heelal vliegen – ergens een interactie is aangegaan met een ander deeltje, bijvoorbeeld een foton.”

De Italianen hopen dat hun idee de komende jaren ofwel bevestigd ofwel weerlegd wordt als KM3NeT meer neutrino’s weet te meten met net zo’n extreem hoge energie als het exemplaar dat begin dit jaar in het nieuws kwam. Volgens Heijboer is dat niet erg waarschijnlijk. Hij wijst erop dat neutrinotelescopen als IceCube, die al veel langer metingen doen dan KM3NeT, nooit zulke neutrino’s hebben waargenomen. Hij verwacht daarom dat het voorlopig bij dit ene exemplaar zal blijven.

Iocco ziet daarentegen nog brood in de mogelijkheid dat ‘zijn’ zwart-gat-neutrino’s nét zulke eigenschappen hebben dat IceCube er minder gevoelig voor is dan KM3NeT. Dat zou dan verklaren waarom alleen die laatste telescoop er een heeft gezien – en kan het ook best dat hij er komende jaren meer gaat meten.

Deze Far Out staat ook in KIJK 7-8-2025.