Zwart gat

Een zwart gat is een gebied van de ruimte waaruit niets kan ontsnappen, volgens de algemene relativiteitstheorie is het het resultaat van de kromming van de ruimtetijd die wordt veroorzaakt door een enorme massa. Rondom een zwart gat is er een positie van geen terugkomst, die de gebeurtenishorizon wordt genoemd. Het wordt "zwart" genoemd omdat het al het licht absorbeert dat het raakt en niets weerkaatst, net als een perfect zwart lichaam in de thermodynamica.

Volgens de theorie van de kwantummechanica hebben zwarte gaten een temperatuur en zenden ze Hawking straling uit, waardoor ze langzaam kleiner worden.

Een zwart gat wordt gevonden door de interactie met materie. De aanwezigheid van een zwart gat kan worden afgeleid door de beweging van een groep sterren te volgen die om een gebied in de ruimte draaien. Een andere mogelijkheid is dat als er gas in een zwart gat valt dat veroorzaakt wordt door een mede-ster of nevel, de gasspiralen naar binnen draaien, waardoor ze opwarmen tot zeer hoge temperaturen en grote hoeveelheden straling uitzenden. Deze straling kan worden gedetecteerd door aardgebonden en aardobservatietelescopen.

Astronomen hebben ook bewijs gevonden van supermassieve zwarte gaten in het centrum van bijna alle melkwegstelsels. Na 16 jaar lang de beweging van nabije sterren te hebben waargenomen, vonden astronomen in 2008 overtuigend bewijs dat een supermassief zwart gat van meer dan 4 miljoen zonnemassa's in de buurt van het Boogschutter A* gebied in het centrum van het Melkwegstelsel ligt. In een zwart gat zijn de regels van de natuurkunde heel anders.

Het supermassieve zwarte gat in de kern van het superreuze elliptische sterrenstelsel Messier 87 in het sterrenbeeld Maagd. Het zwarte gat was het eerste dat direct in beeld werd gebracht (Event Horizon Telescope, uitgebracht op 10 april 2019).
Het supermassieve zwarte gat in de kern van het superreuze elliptische sterrenstelsel Messier 87 in het sterrenbeeld Maagd. Het zwarte gat was het eerste dat direct in beeld werd gebracht (Event Horizon Telescope, uitgebracht op 10 april 2019).

Simulatie van gravitatie-lenzen door een zwart gat, dat het beeld van een melkwegstelsel op de achtergrond vervormt (grotere animatie)
Simulatie van gravitatie-lenzen door een zwart gat, dat het beeld van een melkwegstelsel op de achtergrond vervormt (grotere animatie)

Geschiedenis

In 1783 schreef een Engelse geestelijke, John Michell, dat het misschien mogelijk is dat iets zo zwaar is dat je met de snelheid van het licht moet gaan om van de zwaartekracht af te komen. De zwaartekracht wordt sterker naarmate iets groter of massaler wordt. Om een klein ding, zoals een raket, te laten ontsnappen aan een groter ding, zoals de Aarde, moet het aan de zwaartekracht ontsnappen of het zal terugvallen. De snelheid die het omhoog moet reizen om van de zwaartekracht van de Aarde weg te komen heet ontsnappingssnelheid. Grotere planeten (zoals Jupiter) en sterren hebben meer massa, en hebben een sterkere zwaartekracht dan de Aarde. Daarom is de ontsnappingssnelheid veel sneller. John Michell dacht dat het mogelijk was dat iets zo groot zou zijn dat de ontsnappingssnelheid sneller zou zijn dan de lichtsnelheid, dus zelfs licht kon niet ontsnappen. In 1796 promootte Pierre-Simon Laplace hetzelfde idee in de eerste en tweede editie van zijn boek Exposition du système du Monde (het werd uit latere edities verwijderd).

Sommige wetenschappers dachten dat Michell misschien gelijk had, maar anderen dachten dat licht geen massa had en niet getrokken zou worden door de zwaartekracht. Zijn theorie werd vergeten.

In 1916 schreef Albert Einstein een verklaring van de zwaartekracht die algemene relativiteit wordt genoemd.

  • Massa zorgt ervoor dat de ruimte (en ruimtetijd) buigt, of kromming. Bewegende dingen "vallen langs" of volgen de krommingen in de ruimte. Dit is wat we de zwaartekracht noemen.
  • Het licht reist altijd met dezelfde snelheid en wordt beïnvloed door de zwaartekracht. Als het van snelheid lijkt te veranderen, dan reist het echt langs een bocht in ruimtetijd.

Een paar maanden later, toen hij in de Eerste Wereldoorlog diende, gebruikte de Duitse natuurkundige Karl Schwarzschild de vergelijkingen van Einstein om aan te tonen dat er een zwart gat kon bestaan. In 1930 voorspelde Subrahmanyan Chandrasekhar dat sterren die zwaarder waren dan de zon konden instorten als ze zonder waterstof of andere kernbrandstoffen kwamen te zitten. In 1939 berekenden Robert Oppenheimer en H. Snyder dat een ster minstens drie keer zo massief zou moeten zijn als de zon om een zwart gat te vormen. In 1967 vond John Wheeler voor het eerst de naam "zwart gat" uit. Daarvoor werden ze "donkere sterren" genoemd.

In 1970 toonden Stephen Hawking en Roger Penrose aan dat er zwarte gaten moeten bestaan. Hoewel de zwarte gaten onzichtbaar zijn (ze zijn niet te zien), is een deel van de materie die erin valt erg helder.

Vorming van zwarte gaten

Zwaartekrachtinval

De zwaartekrachtinstorting van grote (hoge-massa) sterren veroorzaakt "stellaire massa" zwarte gaten. Stervorming in het vroege heelal kan hebben geresulteerd in zeer massieve sterren, die bij ineenstorting zwarte gaten zouden produceren tot 103 zonnemassa's. Deze zwarte gaten kunnen de zaden zijn van de superzware zwarte gaten die in de centra van de meeste melkwegstelsels gevonden worden.

Het grootste deel van de energie die vrijkomt bij het instorten van de zwaartekracht wordt zeer snel uitgestoten. Een verre waarnemer ziet het infiltrerende materiaal langzaam en stopt net boven de waarnemingshorizon, als gevolg van de dilatatie van de gravitatietijd. Het licht dat vlak voor de waarnemingshorizon wordt uitgestraald wordt oneindig vertraagd. De waarnemer ziet dus nooit de vorming van de waarnemingshorizon. In plaats daarvan lijkt het instortende materiaal zwakker te worden en steeds meer roodverschuiving te vertonen, waardoor het uiteindelijk vervaagt.

Supermassieve zwarte gaten

Er zijn ook zwarte gaten gevonden in het midden van bijna elk sterrenstelsel in het bekende heelal. Deze worden supermassieve zwarte gaten (SBH) genoemd, en zijn de grootste zwarte gaten van allemaal. Ze zijn ontstaan toen het heelal nog heel jong was, en hebben ook geholpen om alle melkwegstelsels te vormen.

Quasars worden verondersteld te worden aangedreven door zwaartekracht die materiaal verzamelt in SBH's in de centra van verre melkwegstelsels. Licht kan niet ontsnappen aan de SBH's in het centrum van quasars, dus de ontsnappende energie wordt buiten de event horizon gemaakt door zwaartekracht en immense wrijving op het binnenkomende materiaal.

Enorme centrale massa's (106 tot 109 zonnemassa's) zijn gemeten in quasars. Enkele tientallen nabijgelegen grote melkwegstelsels, zonder teken van een quasar-kern, bevatten een gelijkaardig centraal zwart gat in hun kern. Daarom wordt gedacht dat alle grote melkwegstelsels er één hebben, maar slechts een klein deel ervan is actief (met voldoende accretie tot energiestraling) en wordt dus gezien als quasars.

Effect op het licht

In het midden van een zwart gat bevindt zich een zwaartekrachtcentrum dat een singulariteit wordt genoemd. Het is onmogelijk om er in te kijken omdat de zwaartekracht voorkomt dat er licht ontsnapt. Rondom de kleine singulariteit is er een groot gebied waar het licht dat normaal gesproken voorbij zou komen ook naar binnen gezogen wordt. De rand van dit gebied wordt de event horizon genoemd. Het gebied voorbij de event horizon is het zwarte gat. De zwaartekracht van het zwarte gat wordt op afstand zwakker. De waarnemingshorizon is de plek die het verst van het midden verwijderd is waar de zwaartekracht nog sterk genoeg is om licht op te vangen.

Buiten de event horizon worden licht en materie nog steeds naar het zwarte gat getrokken. Als een zwart gat omgeven is door materie, zal de materie een "accretieschijf" vormen (accretie betekent "verzamelen") rond het zwarte gat. Een accretieschijf lijkt op de ringen van Saturnus. Als het wordt opgezogen, wordt de materie erg heet en schiet de röntgenstraling de ruimte in. Zie dit als het water dat rond het gat draait voordat het erin valt.

De meeste zwarte gaten zijn te ver weg om de accretieschijf en de straal te kunnen zien. De enige manier om een zwart gat te kennen is door te zien hoe sterren, gas en licht zich er omheen gedragen. Met een zwart gat in de buurt bewegen zelfs voorwerpen zo groot als een ster op een andere manier, meestal sneller dan als het zwarte gat er niet was.

Omdat we geen zwarte gaten kunnen zien, moeten ze op een andere manier worden opgespoord. Wanneer een zwart gat tussen ons en een lichtbron passeert, buigt het licht om het zwarte gat heen waardoor een spiegelbeeld ontstaat. Dat effect wordt gravitatie-lenzen genoemd.

Het beeld van de kunstenaar: een zwart gat dat de buitenste laag van een ster in de buurt wegtrekt. Het is omgeven door een energieschijf, die een straal van straling maakt.
Het beeld van de kunstenaar: een zwart gat dat de buitenste laag van een ster in de buurt wegtrekt. Het is omgeven door een energieschijf, die een straal van straling maakt.

Einstein's Kruis: vier beelden van een quasar
Einstein's Kruis: vier beelden van een quasar

Hawking straling

Hawking straling is zwarte lichaamsstraling die wordt uitgezonden door een zwart gat, als gevolg van kwantumeffecten in de buurt van de event horizon. Het is vernoemd naar de natuurkundige Stephen Hawking, die in 1974 een theoretisch argument voor het bestaan ervan gaf.

Hawking straling vermindert de massa en de energie van het zwarte gat en staat daarom ook wel bekend als zwart gat verdamping. Dit gebeurt door de virtuele deeltjes-antideeltjesparen. Door kwantumschommelingen valt één van de deeltjes binnen en komt de andere weg met de energie/massa. Hierdoor zullen zwarte gaten die meer massa verliezen dan ze op een andere manier winnen, naar verwachting krimpen en uiteindelijk verdwijnen. Voorspeld wordt dat zwarte microgaten (MBH's) grotere netto stralingsbronnen zijn dan grotere zwarte gaten en sneller zouden moeten krimpen en verdwijnen.


AlegsaOnline.com - 2020 / 2022 - License CC3