Een inleiding tot zwarte gaten

Zwarte gaten zijn objecten in het universum met zoveel massa gevangen binnen hun grenzen dat ze ongelooflijk sterke zwaartekrachtvelden hebben. In feite is de zwaartekracht van een zwart gat zo sterk dat niets kan ontsnappen als het eenmaal naar binnen is gegaan. Zelfs licht kan niet ontsnappen uit een zwart gat, het zit erin opgesloten samen met sterren, gas en stof. De meeste zwarte gaten bevatten vele malen de massa van onze zon en de zwaarste kunnen miljoenen zonsmassa's hebben.

computersimulatie van een superzwaar zwart gat — Deze door een computer gesimuleerde afbeelding toont een superzwaar zwart gat in de kern van een sterrenstelsel. Het zwarte gebied in het midden vertegenwoordigt de horizon van het zwarte gat, waar geen licht kan ontsnappen aan de zwaartekracht van het massieve object. De krachtige zwaartekracht van het zwarte gat vervormt de ruimte eromheen als een funhouse-spiegel. Het licht van achtergrondsterren wordt uitgerekt en besmeurd terwijl de sterren langs het zwarte gat scheren.NASA, ESA en D. Coe, J. Anderson en R. van der Marel (Space Telescope Science Institute), Science Credit: NASA, ESA, C.-P. Ma (University of California, Berkeley) en J. Thomas (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Duitsland).
instagram viewer

Ondanks al die massa is de eigenaardigheid die de kern van het zwarte gat vormt nooit gezien of afgebeeld. Het is, zoals het woord suggereert, een klein punt in de ruimte, maar het heeft VEEL massa. Astronomen kunnen deze objecten alleen bestuderen door hun effect op het materiaal eromheen. Het materiaal rond het zwarte gat vormt een roterende schijf die net buiten een gebied ligt dat 'de gebeurtenishorizon' wordt genoemd, het zwaartekrachtspunt van geen terugkeer.

De structuur van een zwart gat

De basis "bouwsteen" van het zwarte gat is de singulariteit: een nauwkeurig bepaald gebied in de ruimte dat alle massa van het zwarte gat bevat. Eromheen is een gebied van de ruimte waaruit het licht niet kan ontsnappen, wat het "zwarte gat" zijn naam geeft. De buitenste "rand" van deze regio vormt de horizon van de gebeurtenis. Het is de onzichtbare grens waar de aantrekkingskracht van het zwaartekrachtveld gelijk is aan de lichtsnelheid. Het is ook waar de zwaartekracht en de lichtsnelheid in evenwicht zijn.

De positie van de gebeurtenishorizon hangt af van de zwaartekracht van het zwarte gat. Astronomen berekenen de locatie van een gebeurtenishorizon rond een zwart gat met behulp van de vergelijking R_s = 2GM / c². R is de straal van de singulariteit, G is de zwaartekracht, M is de massa, c is de lichtsnelheid.

Black Hole-typen en hoe ze zich vormen

Er zijn verschillende soorten zwarte gaten en ze komen op verschillende manieren tot stand. Het meest voorkomende type staat bekend als een zwart gat met een stellaire massa. Deze bevatten ongeveer een paar keer de massa van onze zon, en vormen wanneer ze groot zijn hoofdreeks sterren (10 - 15 keer de massa van onze zon) hebben geen nucleaire brandstof meer in hun kernen. Het resultaat is enorm supernova-explosie die de buitenste lagen van de sterren de ruimte in blaast. Wat achterblijft stort in tot een zwart gat.

stellaire massa zwart gat — De conceptie van een kunstenaar van een hoed met een zwart gat in een stellaire massa (in blauw) is waarschijnlijk ontstaan toen een superzware ster instortte en zich voedde met materiaal dat door een nabijgelegen ster was uitgestoten.ESA, NASA en Felix Mirabel)

De twee andere soorten zwarte gaten zijn superzware zwarte gaten (SMBH) en microzwarte gaten. Een enkele SMBH kan de massa van miljoenen of miljarden zonnen bevatten. Micro zwarte gaten zijn, zoals hun naam al aangeeft, erg klein. Ze hebben misschien slechts 20 microgram massa. In beide gevallen zijn de mechanismen voor hun creatie niet helemaal duidelijk. In theorie bestaan er microzwarte gaten, maar deze zijn niet direct gedetecteerd.

Superzware zwarte gaten blijken te bestaan in de kernen van de meeste sterrenstelsels en hun oorsprong wordt nog steeds fel bediscussieerd. Het is mogelijk die superzware zwarte gaten zijn het resultaat van een samensmelting van kleinere zwarte gaten met een stellaire massa en andere er toe doen. Sommige astronomen suggereren dat ze kunnen worden gemaakt wanneer een enkele zeer massieve (honderden keren de massa van de zon) ster instort. Hoe dan ook, ze zijn zo groot dat ze de melkweg op vele manieren kunnen beïnvloeden, variërend van effecten op de sterfte tot de banen van sterren en materiaal in hun nabije omgeving.

NASA Galaxy Hunter: Huge Black Holes Stifle Star Formation — Veel sterrenstelsels hebben superzware zwarte gaten in hun kernen. Als ze actief "eten", geven ze enorme stralen af en staan ze bekend als actieve galactische kernen.NASA / JPL-Caltech

Aan de andere kant kunnen microzwarte gaten ontstaan tijdens de botsing van twee zeer energetische deeltjes. Wetenschappers suggereren dat dit continu gebeurt in de bovenste atmosfeer van de aarde en waarschijnlijk zal gebeuren tijdens experimenten met deeltjesfysica op plaatsen als CERN.

Hoe wetenschappers zwarte gaten meten

Aangezien licht niet kan ontsnappen uit het gebied rond een zwart gat dat wordt beïnvloed door de horizon van de gebeurtenis, kan niemand echt een zwart gat 'zien'. Astronomen kunnen ze echter wel meten en karakteriseren aan de hand van de effecten die ze hebben op hun omgeving. Zwarte gaten in de buurt van andere objecten oefenen een zwaartekrachtseffect op hen uit. Om te beginnen kan massa ook worden bepaald door de materiaalbaan rond het zwarte gat.

Een model van een zwart gat minus de omringende materiaalschijf. — Een model van een zwart gat omgeven door verwarmd geïoniseerd) materiaal. Dit kan zijn hoe het zwarte gat in de Melkweg eruit ziet.Brandon DeFrise Carter, CC0, Wikimedia.

In de praktijk leiden astronomen de aanwezigheid van het zwarte gat af door te bestuderen hoe licht zich er omheen gedraagt. Zwarte gaten hebben, net als alle massieve objecten, voldoende zwaartekracht om het pad van het licht te buigen als het voorbij komt. Als sterren achter het zwarte gat relatief bewegen, zal het door hen uitgezonden licht vervormd lijken of zullen de sterren op een ongebruikelijke manier lijken te bewegen. Uit deze informatie kan de positie en massa van het zwarte gat worden bepaald.

Dit is vooral duidelijk in clusters van sterrenstelsels waar de gecombineerde massa van de clusters, hun donkere materie en hun zwarte gaten zorgen voor vreemd gevormde bogen en ringen door het licht van verder weg gelegen objecten te buigen terwijl het voorbij komt.

Astronomen kunnen ook zwarte gaten zien door de straling die het verwarmde materiaal om hen heen afgeeft, zoals radio- of röntgenstralen. De snelheid van dat materiaal geeft ook belangrijke aanwijzingen voor de kenmerken van het zwarte gat dat het probeert te ontsnappen.

Hawking Straling

De laatste manier waarop astronomen mogelijk een zwart gat zouden kunnen detecteren, is via een mechanisme dat bekend staat als Hawking straling. Vernoemd naar de beroemde theoretische natuurkundige en kosmoloog Stephen HawkingHawking-straling is een gevolg van thermodynamica die vereist dat energie ontsnapt uit een zwart gat.

Het basisidee is dat, door natuurlijke interacties en fluctuaties in het vacuüm, de materie zal worden gecreëerd in de vorm van een elektron en een anti-elektron (een positron genoemd). Wanneer dit gebeurt nabij de horizon van de gebeurtenis, wordt het ene deeltje weggeworpen van het zwarte gat, terwijl het andere in de gravitatieput valt.

Voor een waarnemer is alles wat wordt "gezien" een deeltje dat wordt uitgestoten vanuit het zwarte gat. Het deeltje zou worden gezien als positieve energie. Dit betekent symmetrisch dat het deeltje dat in het zwarte gat viel, negatieve energie zou hebben. Het resultaat is dat naarmate een zwart gat ouder wordt, het energie verliest en daarom massa verliest (volgens de beroemde vergelijking van Einstein, E = MC², waar E= energie, M= massa, en C is de snelheid van het licht).

Bewerkt en bijgewerkt door Carolyn Collins Petersen.