Hawking-straling beschrijft hypothetische deeltjes die door de grens van een zwart gat worden gevormd. Deze straling impliceert dat zwarte gaten temperaturen hebben die omgekeerd evenredig zijn met hun massa.

Anders gezegd, hoe kleiner een zwart gat is, hoe heter het zou moeten gloeien.

Hoewel het nooit rechtstreeks is waargenomen, is Hawkingstraling een voorspelling die wordt ondersteund door gecombineerde modellen van algemene relativiteit en kwantummechanica. Het is genoemd naar de eminente natuurkundige Stephen Hawking, die in 1974 een artikel publiceerde met de titel Black hole explosions? waarin hij pleitte voor hun bestaan.

Als zou blijken dat Hawking-straling een feit is, zou dat betekenen dat zwarte gaten energie kunnen uitstralen en daardoor kleiner worden, waarbij de kleinste van deze krankzinnig dichte objecten snel exploderen in een hittepuf (en de grootste triljoenen jaren lang langzaam verdampen in een koud briesje).

Waarom zouden zwarte gaten gloeien?

Wanneer materie een zwart gat binnengaat, wordt het effectief afgesloten van de rest van het heelal. Hierdoor verdwijnt ook een zekere mate van wanorde; een eigenschap die natuurkundigen entropie noemen.

Omdat deze verwijdering van materie het heelal minder wanordelijk maakt, werd gedacht dat dit de tweede wet van de thermodynamica zou breken.

Een natuurkundestudent uit Princeston in de VS, Jacob Bekenstein genaamd, wees erop dat de grens rond de ruimte die het meest wordt beïnvloed door de krankzinnige zwaartekracht van een zwart gat – een ‘oppervlak’ dat een waarnemingshorizon wordt genoemd – in oppervlakte zou moeten toenemen telkens wanneer er materie in valt.

Hij liet zien hoe dit oppervlak de mate van entropie vertegenwoordigt die anders verloren zou gaan, een suggestie die de paradox zou moeten oplossen.

Hawking was daar niet zo zeker van. Entropie is een andere manier om warmte-energie te beschrijven, die noodzakelijkerwijs straling uitzendt. Als een waarnemingshorizon entropie heeft, zou hij op de een of andere manier moeten gloeien, wat zou betekenen dat zwarte gaten toch niet zo zwart zijn.

In zijn pogingen om Bekenstein’s schijnbaar absurde suggestie te weerleggen, besprak Hawking het met andere natuurkundigen en probeerde met wiskundige modellen aan te tonen dat het niet mogelijk was.

Hoe produceren zwarte gaten Hawkingstraling?

Het fysische proces achter de emissie van deeltjes van nabij de event horizon van een zwart gat is vrij complex, steunend op een solide begrip van de wiskunde van de kwantumveldentheorie.

Het wordt gewoonlijk beschreven als het resultaat van tweeling ‘virtuele’ deeltjes die van nature uit het vacuüm komen en gescheiden worden door de zwaartekracht. Gewoonlijk zouden zij recombineren en opheffen, maar in dit geval laat de splitsing één helft van elk paar over om als werkelijke straling te ontsnappen.

In feite beschrijft Hawkings eigen populaire verklaring van de wiskunde vluchtige virtuele deeltjes die door extreme zwaartekracht worden beïnvloed, waarbij de ene helft van het paar massa aan het zwarte gat onttrekt dankzij de extreme zwaartekracht die het deeltje van negatieve energie voorziet.

Andere natuurkundigen vinden deze ‘gelokaliseerde’ beschrijving van deeltjes die over een denkbeeldige lijn uit elkaar gaan een beetje misleidend.

Hoewel we een volledige theorie van de rol van de zwaartekracht in de kwantummechanica nodig hebben om deze interactie goed in kaart te brengen, laten Hawkings conclusies zien hoe de gekromde ruimte de mix van kwantumeigenschappen in de velden nabij een waarnemingshorizon kan verstoren, zodanig dat zwarte gaten sommige eigenschappen ‘verstrooien’ terwijl andere intact blijven. Het zijn deze intacte eigenschappen die lijken op specifieke temperaturen van straling, en die een zwart gat kunnen doen krimpen.