Zwart gat — definitie, werking en ontdekking van superzware gaten
Ontdek wat zwarte gaten zijn, hoe ze werken en hoe astronomen superzware zwarte gaten zoals Sagittarius A* opsporen via sterrenbewegingen en fel opwarmend gas.
Een zwart gat is een gebied in de ruimte waaruit niets, zelfs geen licht, kan ontsnappen. Volgens de algemene relativiteitstheorie ontstaat het wanneer de ruimtetijd wordt gekromd door een enorme massa. Rond het zwarte gat bevindt zich een bol. Als iets binnen die bol komt, kan het er niet meer uit. Deze bol wordt de waarnemingshorizon genoemd. Een zwart gat is zwart omdat het al het licht absorbeert dat het raakt. Het weerkaatst niets, net als een perfect zwart lichaam in de thermodynamica. Volgens de kwantummechanica hebben zwarte gaten een temperatuur en zenden ze Hawkingstraling uit, waardoor ze langzaam kleiner worden.
Wat zit erin en hoe groot is het?
In het centrum van een klassiek zwart gat volgens de algemene relativiteit ligt een singulariteit — een punt (of in sommige modellen een ring) waar de dichtheid en kromming van de ruimtetijd formeel oneindig worden. De exacte natuur van die singulariteit is onbekend omdat er op zulke schalen waarschijnlijk kwantumzwaartekracht speelt en onze huidige theorieën daar niet samenkomen.
De horizontale grens rond het zwarte gat heet de waarnemingshorizon. Deze horizon is geen fysiek oppervlak zoals de schaal van een ster, maar een grens in de ruimtetijd: van binnenuit kan niets meer naar buiten. De grootte van de horizon wordt bepaald door de massa en wordt vaak uitgedrukt in de Schwarzschildstraal: recht evenredig met de massa. Ter indicatie: de Schwarzschildstraal van de zon is ongeveer 3 kilometer — als de zon binnen die straal zou worden samengeperst, zou zij een zwart gat worden.
Ontstaan en typen zwarte gaten
- Stellaire zwarte gaten: ontstaan bij het instorten van zeer zware sterren na het einde van hun leven. Hun massa ligt typisch tussen enkele en tientallen zonsmassa's, soms meer.
- Intermediaire zwarte gaten: hypothetische of zeldzame objecten met massa tussen honderden en honderdduizenden zonsmassa's; bewijs is nog beperkt en onderwerp van actief onderzoek.
- Superzware zwarte gaten: zeer zware zwarte gaten met massa's van 10^5 tot meer dan 10^10 zonsmassa's. Astronomen hebben veel bewijs gevonden dat zulke superzware zwarte gaten zich in het centrum van bijna alle grote sterrenstelsels bevinden.
- Primordiale zwarte gaten (theoretisch): zouden in de vroege kosmos kunnen zijn ontstaan door dichtheidsfluctuaties; hun bestaan is nog niet aangetoond.
Hoe vinden we zwarte gaten?
Zwarte gaten zenden zelf geen licht uit, dus we detecteren ze aan de hand van hun effecten op de omgeving:
- De ligging van een zwart gat kan worden afgeleid uit de beweging van sterren die eromheen draaien. Een beroemd voorbeeld is het centrum van onze Melkweg: met observaties van sterrenbanen kon worden aangetoond dat zich daar een compact object met enkele miljoenen zonsmassa's bevindt. In 2008 werd bewijs geleverd dat een superzwaar zwart gat van meer dan vier miljoen zonsmassa's nabij het Sagittarius A*-deel van het Melkwegstelsel ligt; sindsdien zijn met nog nauwkeurigere metingen de massa en afstand nog beter bepaald.
- Als gas in een zwart gat valt, vormt het vaak een heet, roterend accretieschijf die röntgen- en optische straling uitzendt. Dergelijke bronnen worden met telescopen op aarde en met telescopen die rond de aarde draaien waargenomen.
- Relativistische jets: sommige accreterende zwarte gaten zenden smalle, zeer felle jets van geladen deeltjes uit die over grote afstanden zichtbaar zijn in radiospectrum en andere golflengten.
- Directe beeldvorming: de Event Horizon Telescope (EHT) leverde in 2019 de eerste beeldvorming van de schaduw van een zwart gat in het sterrenstelsel M87 en in 2022 van Sagittarius A*, waarmee de aanwezigheid van een compacte, zware bron werd bevestigd.
- Gravitatiegolven: LIGO en Virgo hebben sinds 2015 botsingen van binaire zwarte gaten waargenomen via de gravitationele rimpels die zulke fusies veroorzaken; dat is direct bewijs voor het bestaan van compacte, massieve objecten die met elkaar versmelten.
- Gravitational lensing en microlensing: het zwaartekrachteffect van een zwart gat kan het licht van achterliggende bronnen vervormen en versterken, wat ook een detectiemethode is.
Fysische effecten en omgeving
Nabij een zwart gat spelen sterke relativistische effecten een rol:
- Tijdkromming en tijddilatatie: een waarnemer ver van het zwarte gat ziet processen nabij de horizon sterk vertraagd en roodverschoven — dingen die naar het zwarte gat vallen lijken uiteindelijk steeds langzamer te bewegen en roodder te worden.
- Getijdenkrachten: bij kleinere zwarte gaten zijn de getijdenkrachten vlakbij zo sterk dat objecten uitgerekt en uiteengereten worden (soms aangeduid als "spaghettificatie"). Bij superzware zwarte gaten kunnen de getijdenkrachten aan de horizon relatief zwak zijn, zodat je de horizon zou kunnen passeren zonder onmiddellijke scheurende krachten te voelen.
- Accretie en feedback: accretie op zwarte gaten kan enorme hoeveelheden energie vrijmaken waardoor sterrenstelsels worden beïnvloed. Actieve zwarte gaten (AGN, quasars) kunnen via straling en jets de vorming van sterren reguleren en zo de evolutie van hun gaststelsels beïnvloeden.
Hawkingstraling, kwantum en open vragen
Volgens de kwantummechanica hebben zwarte gaten een temperatuur en zenden ze Hawkingstraling uit. Voor zwarte gaten met massa vergelijkbaar met sterren is die temperatuur extreem laag en is de straling onmeetbaar; alleen voor zeer kleine zwarte gaten zou Hawkingstraling merkbaar zijn. De voorspelling van Hawkingstraling brengt ook fundamentele vragen met zich mee, zoals het informatieparadox: wat gebeurt er met de informatie over materie die in een zwart gat valt, gezien kwantummechanica informatiebehoud vereist? Dit probleem is nog niet definitief opgelost en is een belangrijk aandachtsgebied in de theoretische fysica.
Samenvatting
Zwarte gaten zijn extreem compacte objecten waarvan de zwaartekracht zo sterk is dat binnen de waarnemingshorizon niets kan ontsnappen. Ze ontstaan op verschillende manieren en in verschillende massaschalen, van stellaire tot superzware zwarte gaten. Omdat ze zelf geen licht uitstralen, bewijzen we hun bestaan via de invloed op hun omgeving: bewegende sterren, heet accretionegas, jets, gravitationele lensing, directe beeldvorming met de EHT en gravitationele golven van fusies. Tegelijk blijven er diepe theoretische vragen over de natuur van singulariteiten en de combinatie van algemene relativiteit en kwantummechanica.
Simulatie van gravitationele lensing door een zwart gat, die het beeld van een sterrenstelsel op de achtergrond vervormt (grotere animatie)
Het superzware zwarte gat in de kern van het superreus elliptisch sterrenstelsel Messier 87 in het sterrenbeeld Maagd. Het zwarte gat is als eerste rechtstreeks in beeld gebracht (Event Horizon Telescope, vrijgegeven op 10 april 2019).
Geschiedenis
In 1783 schreef de Engelse geestelijke John Michell dat het mogelijk is dat iets zo zwaar is dat je met de lichtsnelheid moet gaan om aan de zwaartekracht ervan te ontsnappen. De zwaartekracht wordt sterker naarmate iets zwaarder wordt. Wil een klein ding, zoals een raket, ontsnappen aan een groter ding, zoals de aarde, dan moet het ontsnappen aan de aantrekkingskracht van de zwaartekracht van de aarde, anders valt het terug. De snelheid die het moet afleggen om te ontsnappen heet ontsnappingssnelheid. Grotere planeten (zoals Jupiter) en sterren hebben meer massa en een sterkere zwaartekracht dan de aarde. Daarom zou de ontsnappingssnelheid veel hoger moeten zijn. John Michell dacht dat het mogelijk was dat iets zo groot was dat de ontsnappingssnelheid sneller zou moeten zijn dan de lichtsnelheid, zodat zelfs licht niet zou kunnen ontsnappen. In 1796 schreef Pierre-Simon Laplace over hetzelfde idee in de eerste en tweede druk van zijn boek Exposition du système du Monde (het werd verwijderd uit latere drukken).
Sommige wetenschappers dachten dat Michell gelijk zou kunnen hebben, maar anderen dachten dat licht geen massa had en niet door de zwaartekracht zou worden aangetrokken. Zijn theorie werd vergeten.
In 1916 schreef Albert Einstein een verklaring van de zwaartekracht, algemene relativiteit genaamd.
- Massa zorgt ervoor dat de ruimte (en ruimtetijd) buigt, of kromt. Bewegende dingen "vallen mee" of volgen de krommingen in de ruimte. Dit noemen we zwaartekracht.
- Licht reist altijd met dezelfde snelheid, en wordt beïnvloed door de zwaartekracht. Als het van snelheid lijkt te veranderen, reist het in werkelijkheid langs een bocht in de ruimtetijd.
Enkele maanden later, toen hij in de Eerste Wereldoorlog diende, gebruikte de Duitse natuurkundige Karl Schwarzschild de vergelijkingen van Einstein om aan te tonen dat een zwart gat kon bestaan. De radius van Schwarzschild is de grootte van de waarnemingshorizon van een niet-roterend zwart gat. Deze straal was de maat waarbij de ontsnappingssnelheid gelijk was aan de lichtsnelheid. Als de straal van een ster kleiner is, kan het licht niet ontsnappen en is het een donkere ster, of zwart gat.
In 1930 voorspelde Subrahmanyan Chandrasekhar dat sterren die zwaarder zijn dan de zon konden instorten wanneer zij geen waterstof of andere nucleaire brandstoffen meer hadden om te verbranden. In 1939 berekenden Robert Oppenheimer en H. Snyder dat een ster minstens drie keer zo massief moest 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 zwarte gaten moeten bestaan. Hoewel de zwarte gaten onzichtbaar zijn (ze kunnen niet worden gezien), is een deel van de materie die erin valt zeer helder.
Vanaf het voorjaar van 2019 was er een beeld van een zwart gat, of beter gezegd, de dingen die rond het zwarte gat draaien. Voor het beeld waren vele foto's van verschillende locaties nodig. Een van de teamleden (Katie Bouman) maakte een compilatie van alle beelden tot één enkel beeld.
In 2020 kregen Roger Penrose, Reinhard Genzel en Andrea Ghez de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun werk aan de theorie van zwarte gaten.
Vorming van zwarte gaten
De zwaartekrachtinstorting van enorme sterren (met een hoge massa) veroorzaakt zwarte gaten met een "stellaire massa". Door stervorming in het vroege heelal kunnen zeer grote sterren zijn ontstaan. Toen deze instortten, maakten ze zwarte gaten van wel 103 zonsmassa's. Deze zwarte gaten kunnen de kiem vormen voor de superzware zwarte gaten in het centrum van de meeste sterrenstelsels.
De meeste energie die vrijkomt bij een gravitatie-instorting wordt zeer snel afgegeven. Een verre waarnemer ziet het materiaal langzaam naar binnen vallen en dan net boven de waarnemingshorizon stoppen vanwege gravitationele tijdsdilatatie. Het licht dat vlak voor de waarnemingshorizon wordt afgegeven, heeft een oneindige vertraging. De waarnemer ziet dus nooit de vorming van de waarnemingshorizon. In plaats daarvan lijkt het instortende materiaal steeds zwakker en roodverschoven te worden en uiteindelijk te verdwijnen.
Superzware zwarte gaten
Er zijn ook zwarte gaten gevonden in het midden van bijna elk sterrenstelsel in het bekende heelal. Deze worden superzware zwarte gaten (SBH) genoemd, en zijn de grootste zwarte gaten van allemaal. Zij werden gevormd toen het heelal nog heel jong was, en hielpen ook bij de vorming van alle sterrenstelsels.
Quasars worden vermoedelijk aangedreven door de zwaartekracht die materiaal verzamelt in superzware zwarte gaten in de centra van verre sterrenstelsels. Licht kan niet ontsnappen aan de SBH's in het centrum van quasars, dus wordt de ontsnappende energie buiten de waarnemingshorizon gebracht door zwaartekrachtspanningen en immense wrijving op het binnenkomende materiaal.
In quasars zijn enorme centrale massa's gemeten (106 tot 109 zonsmassa's). Enkele tientallen nabijgelegen grote sterrenstelsels, zonder teken van een quasarkern, hebben een soortgelijk centraal zwart gat in hun kern. Daarom wordt aangenomen dat alle grote sterrenstelsels er een hebben, maar dat slechts een klein deel ervan actief is (met voldoende accretie om straling op te wekken) en dus als quasar wordt gezien.
Effect op licht
In het midden van een zwart gat bevindt zich een gravitatiecentrum dat een singulariteit wordt genoemd. Het is onmogelijk om erin te kijken omdat de zwaartekracht voorkomt dat licht ontsnapt. Rond de kleine singulariteit bevindt zich een groot gebied waar licht dat normaal gesproken zou passeren, ook naar binnen wordt gezogen. De rand van dit gebied wordt de waarnemingshorizon genoemd. Het gebied binnen de waarnemingshorizon is het zwarte gat. De zwaartekracht van het zwarte gat wordt op grotere afstand zwakker. De waarnemingshorizon is de plaats die het verst verwijderd is van het midden van het zwarte gat en waar de zwaartekracht nog sterk genoeg is om licht op te vangen.
Buiten de waarnemingshorizon worden licht en materie nog steeds naar het zwarte gat toe getrokken. Als een zwart gat wordt omringd door materie, vormt de materie een "accretieschijf" (accretie betekent "verzamelen") rond het zwarte gat. Een accretieschijf lijkt op de ringen van Saturnus. Terwijl de materie naar binnen wordt gezogen, wordt zij zeer heet en schiet zij röntgenstraling de ruimte in. Zie dit als water dat rond het gat draait voordat het erin valt.
De meeste zwarte gaten staan te ver weg om de accretieschijf en de straal te kunnen zien. De enige manier om te weten of er een zwart gat is, is door te zien hoe sterren, gas en licht zich eromheen gedragen. Met een zwart gat in de buurt bewegen zelfs objecten zo groot als een ster op een andere manier, meestal sneller dan wanneer het zwarte gat er niet zou zijn.
Omdat we zwarte gaten niet kunnen zien, moeten ze op een andere manier worden gedetecteerd. Wanneer een zwart gat zich tussen ons en een lichtbron bevindt, buigt het licht om het zwarte gat heen, waardoor een spiegelbeeld ontstaat. Dat effect wordt gravitationele lensvorming genoemd.
Einsteins kruis: vier beelden van één quasar
Artist's image: een zwart gat trekt de buitenste laag van een nabije ster weg. Het wordt omgeven door een energieschijf, die een stralingsstraal maakt.
Hawkingstraling
Hawkingstraling is zwarte lichaamstraling die wordt uitgezonden door een zwart gat, als gevolg van kwantumeffecten nabij de waarnemingshorizon. Het is genoemd naar de natuurkundige Stephen Hawking, die in 1974 een theoretisch argument gaf voor het bestaan ervan.
Hawkingstraling vermindert de massa en de energie van het zwarte gat en wordt daarom ook wel verdamping van het zwarte gat genoemd. Dit gebeurt door de virtuele deeltjes-antideeltjesparen. Als gevolg van kwantumfluctuaties valt één van de deeltjes in en gaat de ander er met de energie/massa vandoor. Hierdoor wordt verwacht dat zwarte gaten die meer massa verliezen dan ze op een andere manier winnen, zullen krimpen en uiteindelijk verdwijnen. Voorspeld wordt dat micro-zwarte gaten (MBH's) grotere netto uitstoters van straling zijn dan grotere zwarte gaten en sneller zouden moeten krimpen en verdwijnen.
Eigenschappen van zwarte gaten
Het no hair theorema stelt dat een stabiel zwart gat slechts drie onafhankelijke fysische eigenschappen heeft: massa, lading en impulsmoment. Als dit waar is, dan zullen twee zwarte gaten met dezelfde waarden voor deze drie eigenschappen er hetzelfde uitzien. Vanaf 2020 is het onduidelijk of het geen-haar-theorema waar is voor echte zwarte gaten.
De eigenschappen zijn bijzonder, omdat ze alle drie van buiten het zwarte gat kunnen worden gemeten. Een geladen zwart gat stoot bijvoorbeeld andere soortgelijke ladingen af, net als elk ander geladen voorwerp. Evenzo kan de totale massa binnen een bol met een zwart gat worden gevonden met behulp van het gravitatie-analoog van de wet van Gauss, ver weg van het zwarte gat. Het impulsmoment of de spin kan ook op grote afstand worden gemeten.
Vragen en antwoorden
V: Wat is een zwart gat?
A: Een zwart gat is een gebied in de ruimte waaruit niets, zelfs geen licht, kan ontsnappen. Het ontstaat wanneer de ruimtetijd wordt gekromd door een enorme massa en heeft een waarnemingshorizon die alles binnenin niet kan verlaten.
V: Waarom zijn zwarte gaten zwart?
A: Zwarte gaten zijn zwart omdat zij al het licht dat hen raakt absorberen en niets terugkaatsen, net als een perfect zwart lichaam in de thermodynamica.
V: Hoe vinden mensen zwarte gaten?
A: Mensen vinden zwarte gaten door de beweging te volgen van sterren die ergens in de ruimte ronddraaien of wanneer gas in een zwart gat valt en opwarmt en heel helder wordt, wat te zien is met telescopen op aarde of telescopen die op aarde rondvliegen.
V: Bestaan er superzware zwarte gaten?
A: Ja, astronomen hebben bewijzen gevonden van superzware zwarte gaten in het centrum van bijna alle sterrenstelsels. In 2008 hebben astronomen bewijs gevonden dat een superzwaar zwart gat van meer dan vier miljoen zonsmassa's zich bij het Sagittarius A* deel van het Melkwegstelsel bevindt.
V: Heeft de kwantummechanica invloed op onze kijk op zwarte gaten?
A: Ja, volgens de kwantummechanica hebben zwarte gaten een temperatuur en zenden zij Hawkingstraling uit, waardoor zij langzaam kleiner worden.
V: Wat gebeurt er in een zwart gat?
A: In een zwart gat gelden heel andere natuurkundige regels dan hier op aarde.
Zoek in de encyclopedie