Zwart gat

Een zwart gat is een bijzonder hemellichaam, waaruit geen licht of materie kan ontsnappen als gevolg van zijn sterke zwaartekrachtsveld.

Fotonen (lichtdeeltjes) verliezen energie als ze tegen een zwaartekrachtsveld in bewegen. Bij bijzonder sterke zwaartekracht houden deze fotonen uiteindelijk geen energie meer over en komen ze tot stilstand. Vanaf het oppervlak van een superzwaar hemellichaam zou licht dus niet kunnen ontsnappen. Materie kan ook niet ontsnappen uit een zwart gat, omdat de maximumsnelheid van materie gelijk is aan de lichtsnelheid volgens de speciale relativiteitstheorie van Albert Einstein.

Om een zwart gat ligt een bolvormig gebied waaruit ontsnappen niet mogelijk is. Het denkbeeldige oppervlak van deze bol heet de waarnemingshorizon. De afstand van de waarnemingshorizon tot het centrum van het zwarte gat heet de Schwarzschildstraal.

Geschiedenis

De eerste ideeën over het bestaan van zwarte gaten dateren uit 1790 toen de Engelse geoloog John Michell en de Franse wiskundige Pierre-Simon Laplace onafhankelijk van elkaar het bestaan van onzichtbare sterren veronderstelden. Ze berekenden aan de hand van de wetten van Newton de massa en de omvang van objecten waarvan de ontsnappingssnelheid groter zou zijn dan de lichtsnelheid.

Volgens hen was het voor materie in theorie mogelijk om aan hun sterren te kunnen ontsnappen. Dat de lichtsnelheid de maximale snelheid was werd in 1905 aannemelijk gemaakt door Albert Einstein in zijn speciale relativiteitstheorie.

In 1916 publiceerde Einstein de algemene relativiteitstheorie, een nieuwe theorie over de zwaartekracht. Enkele maanden later vond Karl Schwarzschild het door de relativiteitstheorie voorspelde zwaartekrachtsveld voor een puntmassa, waaruit de theoretische mogelijkheid van een waarnemingshorizon bleek. Schwarzschild zelf beschouwde deze horizon niet als fysisch realistisch; de waarnemingshorizon bleek later echter wel degelijk betekenis te hebben en wordt tegenwoordig geïnterpreteerd als de "rand" van het zwarte gat.

J. Robert Oppenheimer, de latere vader van de Amerikaanse atoombom en zijn student H. Snyder kwamen in 1939 met de eerste nauwkeurige berekening van de vorming van een zwart gat uit een gasbol volgens de algemene relativiteitstheorie.

Roy Kerr vond in 1963 een familie van exacte oplossingen van Einsteins vergelijkingen zonder elektrische lading die later op zwarte gaten bleken te slaan. Algemene oplossingen voor de Einstein-Maxwell vergelijkingen met lading werden daarna gevonden door Newman en anderen in 1965. Met de Kerr-Newman geometrie kunnen draaiende (on)geladen zwarte gaten worden beschreven.

In 1967 introduceerde de Amerikaanse theoretisch natuurkundige John Wheeler - die eerder onder meer aan de waterstofbom had gewerkt - de naam zwart gat voor dergelijke objecten. De bondige uitspraak "Een zwart gat heeft geen haar" (No hair theorema: A black hole has no hair) is ook van hem afkomstig. Wheeler bedoelde dat een zwart gat eigenlijk een eenvoudig voorwerp is. Alle eigenschappen zijn af te leiden uit zijn massa, elektrische lading en impulsmoment.

Waarneming

De moeilijkheid met het waarnemen van zwarte gaten in het heelal is dat ze door hun sterke zwaartekrachtsveld geen licht kunnen uitstralen. Waarneming van deze hemellichamen is daardoor alleen indirect mogelijk, bijvoorbeeld door het gedrag van sterren in de onmiddellijke nabijheid te bestuderen. Gas van een nabije ster wordt naar het zwarte gat getrokken en gaat er een baan omheen beschrijven, daarbij een zogenaamde accretieschijf (aangroeischijf) vormend. Doordat de materie aan de binnenkant van de schijf sneller draait dan de lagen die er wat meer vandaan liggen, ontstaat er wrijving. Deze wrijving veroorzaakt röntgenstraling, die wij kunnen waarnemen met een röntgentelescoop (zie röntgenastronomie). Het bestaan van andere zwarte gaten is afgeleid uit de bewegingen van één enkele ster of een dubbelster die om iets heen draaien wat niet zichtbaar is.

In het centrum van de Melkweg bevindt zich naar alle waarschijnlijkheid een zwart gat: Sagittarius A*. De massa hiervan kan bepaald worden door de banen van sterren te bestuderen die zich in de buurt van het centrum van de Melkweg bevinden. Hij wordt geschat op circa 3,7 miljoen zonsmassa's.

In de buurt van een zwart gat vormen zich nieuwe sterren.

Ontstaan

De meeste zwarte gaten zijn de overblijfselen van hypernova- of supernova-explosies. Als de kern van de exploderende ster meer dan ongeveer 5 keer zo zwaar is als de zon, implodeert de kern van de ster uiteindelijk tot een zwart gat. Het centrum van het zwarte gat is een punt van een oneindig grote dichtheid met een oneindig klein volume, singulariteit genoemd. De zeer zware zwarte gaten die in de centra van sommige sterrenstelsels te vinden zijn en een massa van enkele miljoenen zonsmassa's hebben, zijn waarschijnlijk kort na de oerknal ontstaan. Sinds kort zijn er ook zwarte gaten bekend met een massa van enkele duizenden zonsmassa's maar hoe die ontstaan zijn is nog niet duidelijk. Het is niet bekend wat zich in en rond de singulariteit precies afspeelt, aangezien de algemene relativiteitstheorie op zulke kleine afstanden niet meer exact geldig is. Om dit probleem op te lossen, zal de relativiteitstheorie gecombineerd moeten worden met de kwantummechanica tot een nog onbekende theorie van de kwantumzwaartekracht. De snaartheorie en de daarvan afgeleide M-theorie zijn hypothesen die dit proberen door één universele basistheorie op te stellen.

Bij een kernmassa tussen de 3 en 5 maal de massa van de zon eindigt de ster als een quarkster. Bij een kernmassa tussen 1,4 en 3 maal de massa van de zon eindigt de ster na een supernova als neutronenster. Bij een massa kleiner dan 1,4 maal de massa van onze zon blijft een witte dwerg over, die vervolgens zeer langzaam afkoelt tot zwarte dwerg.

Verdampen door Hawkingstraling

De Engelse natuurkundige Stephen Hawking toonde in 1974 theoretisch aan dat zwarte gaten langzaam moeten verdampen. Volgens de onzekerheidswetten in de kwantumwereld ontstaan op de waarnemingshorizon voortdurend paren deeltjes en antideeltjes. Normaal heffen deze deeltjes zich bijna onmiddellijk weer op door onderlinge annihilatie zodat het energie effect weer nul is. Bij een zwart gat gebeurt het echter soms dat een deeltje in het zwarte gat valt en dat het andere ontsnapt in de ruimte. Met andere woorden: er komt straling uit. Dit wordt ook wel 'Hawkingstraling' genoemd. De energie hiervoor wordt onttrokken aan het zwarte gat. Dit wordt iets kleiner. Hoe kleiner het zwarte gat hoe sneller dit zal gaan. Na een tijd kan zo een zwart gat helemaal 'verdampen'. Aanvankelijk werd door sommige natuurkundigen gedacht dat de informatie die verloren ging doordat er bij het ontstaan van een zwart gat materie in viel, voorgoed verdwenen was. Hawking sloot samen met Kip Thorne een weddenschap over deze vraag af met John Preskill, die beweerde dat de informatie niet definitief verloren ging. In 2004 verloor Hawking deze weddenschap door zelf op een conferentie bekend te maken dat hij een mechanisme had gevonden waardoor de informatie die in het zwarte gat was verdwenen, weer vrij kon komen bij het verdampen van het zwarte gat.

Soorten zwarte gaten

Er worden vier soorten zwarte gaten onderscheiden:

• Miniatuur zwarte gaten: met afmetingen tussen die van een proton (10^-15 meter) en een Planckdeeltje (10^-35 meter). Ze verdampen door Hawkingstraling in een fractie van een seconde. Dit type zwarte gat is volgens Stephen Hawking niet ontstaan door zijn eigen zwaartekracht, maar door druk van buitenaf en zou tijdens de oerknal kunnen hebben bestaan. Als blijkt dat de Planckschaal in de orde van TeV is, is het mogelijk om in de Large Hadron Collider die bij CERN in Genève is gebouwd deze zwarte gaten te produceren. Dan zouden verschillende kosmologische theorieën experimenteel getest kunnen worden (de eerste test vond plaats op 10 september 2008). Volgens sommige theorieën bestaat het kwantumschuim eveneens uit miniatuur zwarte gaten die volgens de onzekerheidswetten inherent aan de kwantumwereld voortdurend in en uit de virtuele ruimte schieten.
• Stellaire zwarte gaten: met een massa van omstreeks 5 tot 100 zonnemassa's die ontstaan zijn uit een supernova van een zware ster.
• Middelgrote zwarte gaten: met een massa van 500 tot 1000 zonnemassa's. Over de evolutie van dit soort zwarte gaten is weinig bekend. Dit type werd door de Chandra X-ray Observatory ontdekt in het stelsel M82 op een afstand van 600 lichtjaar van het centrum.
• Superzware zwarte gaten: met een massa van meer dan een miljoen keer de massa van de zon. Ze worden aangetroffen in de centra van sterrenstelsels.

Zwaartekrachtlens

Een zwaartekrachtlens doet zich voor als het licht van een verre heldere bron zoals een quasar door een zwaar hemellichaam wordt afgebogen. Dit heet in het Engels gravitational lensing. Het is een van de waarnemingen waarmee de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie getoetst kunnen worden. Volgens die theorie vervormt een massa de omliggende ruimte en moet licht deze kromming volgen wat een lens-effect geeft.

Een bron kan dankzij een zwaartekrachtlens voor de waarnemer soms verscheidene beelden voor de waarnemer opleveren. Als bron, zwaar hemellichaam en waarnemer op een lijn liggen, leidt de symmetrie tot een ringvormig beeld, een Einsteinring.

Omdat elk zwaar object zulke effecten kan geven, worden sommige lens-effecten aan de hemel waarschijnlijk niet door afzonderlijke zwarte gaten maar door verre melkwegstelsels veroorzaakt.

Voorbeelden

De Chandra X-ray Observatory heeft in september 1999 en oktober 2000 opnamen gemaakt van het centrum van ons melkwegstelsel. Daar werd een enorm zwaar zwart gat waargenomen met de massa van 2,6 miljoen zonnemassa's. Dit zwarte gat wordt in verband gebracht met de radiobron Sagittarius A^*. Met de Europese XMM-Newton satelliet worden regelmatig waarnemingen gedaan aan zwarte gaten (officieel: mogelijke zwarte gaten, "black hole candidates").

In onze Melkweg hebben we behalve Sagittarius A* in het centrum nog een aantal mogelijke zwarte gaten die dichterbij staan. Het gaat steeds om röntgendubbelsterren die via een accretieschijf gas aan hun begeleider onttrekken. Hun massa's liggen tussen de drie en twaalf zonsmassa's.

Naam	Massa in zonnemassa's M☉	Omlooptijd van begeleider (dagen)	Afstand tot de Aarde (lichtjaar)
A0620-00	9−13	0,33	~3500
GRO J1655-40	6−6,5	2,8	5000−10000
XTE J1118+480	6,4−7,2	0,17	6200
Cyg X-1	7−13	5,6	6000−8000
GRO J0422+32	3−5	0,21	~8500
GS 2000+25	7−8	0,35	~8800
V404 Cyg	10−14	6,5	~10000
GX 339-4		1,75	~15000
GRS 1124-683	6,5−8,2	0,43	~17000
XTE J1550-564	10−11	1,5	~17000
XTE J1819-254	10−18	2,8	< 25000
4U 1543-475	8−10	1,1	~24000
Sagittarius A	3,7 miljoen	−	~25000

Verder lezen

• Begelman, M.C. & Rees, M.J.: Zwarte gaten in het heelal
• Chandrasekhar, Subrahmanyan: The mathematical theory of black holes, Clarendon Press Oxford, 1984
• Misner, Charles W., Thorne, Kip S. & Wheeler, John Archibald: Gravitation, Freeman, San Francisco, 1970 en latere uitgaven
• Novikov, I.: Zwarte gaten. De sleutel tot het ontstaan van het heelal, Contact, 1991
• Shapiro, Stuart L. & Teukolsky, Saul A.: Black holes, white dwarfs and neutron stars. The physics of compact objects, Wiley, New York 1983
• Thorne, Kip S.: Black holes and time warps. Einstein's outrageous legacy, Norton, New York 1994 en latere uitgaven (goed leesbaar, populair maar exact, aanbevolen)

Zie ook

• Naakte singulariteit
• Grijs gat
• Hawkingstraling
• Subramanyan Chandrasekhar
• Wit gat
• Schwarzschild zwart gat
• Reissner-Nordström zwart gat

Externe links

• Simulatie bij waarnemingen door Wilms en anderen met Europese XMM-Newton satelliet van MCG-6-30-15
• AstronomieAntwoorden (dr Louis Strous): Zwarte gaten
• Zwart gat neemt hapje ster (Kennislink artikel)
• Zwarte Gaten (UvA)
• Bewijs voor zwart gat in melkwegstelsel (Volkskrant artikel)
• Leuke en educatieve animaties over zwarte gaten