Zwarte gaten in het heelal

Als je met mensen over ‘zwarte gaten’ spreekt, komt het heel zelden voor dat ze ook snappen wat je ermee bedoelt. Ze hebben er wel van gehoord, maar wat is eigenlijk een zwart gat in het heelal?

De term ‘zwart gat’ klinkt in ieder geval niet vrolijk en ook het feit dat de meeste mensen niet weten wat het eigenlijk is, maakt het mysterieus. Het doet je aan begrafenis denken of een gedoemde plaats. Wordt het heelal langzamerhand zwart? Betekent dit het einde van de kosmos?

Een paar jaar geleden werd er een film gemaakt, Black Hole, waarbij de scenarioschrijver een sfeer probeerde op te roepen van een unieke, inderdaad gedoemde plaats. Dit is een voorbeeld van hoe mensen er vaak over denken. Hierdoor is het nogal moeilijk om het als iets gewoons te beschouwen, iets als sterren of sterrenstelsel. We weten immers wel wat dat is.

Wetenschappers doen hun best om dit soort al te romantische ideeën uit te bannen. Maar ook zij moeten bekennen dat ze zwarte gaten niet kalm kunnen bekijken. De astrofysici noemen ze ‘singulier’, waarmee ze heel uitzonderlijk bedoelen.

Wat is een zwart gat?

Een zwart gat is niet zoals velen denken een groot gat in de ruimte. Het is een gebied waar de zwaartekracht zo sterk is dat er geen materie of straling ontsnappen kan, dus ook licht niet. Dit is moeilijk voor te stellen, wij geven een voorbeeld van hoe het op aarde werkt. De snelheid om van de aarde weg te ‘vliegen’ –de ontsnappingssnelheid is ongeveer 11 km/s. Een raket die de aarde verlaat, vliegt dus minimaal met deze snelheid. De ontsnappingssnelheid hangt af van de zwaartekracht die weer afhangt van de massa van de planeet. Zo is de ontsnappingssnelheid op de zon ongeveer 620 km/s. We kunnen veronderstellen dat de ontsnappingssnelheid van een zwart gat meer dan 300.000 km/s is, aangezien het licht er niet uit kan ontsnappen. De massa van een zwart gat is vele malen groter dan de massa van de zon.

Hoe ontstaan zwarte gaten?

Een zwart gat is er niet altijd geweest. Ze komen en gaan.

Het is haast bij iedereen bekend dat sterren kunnen exploderen. Dat gebeurt regelmatig. Als een ster explodeert, kan de kern (het overblijfsel) door de massa imploderen, anders gezegd in elkaar vallen. Een zwart gat ontstaat wanneer een supernova, dat is een ster die minstens 30 keer zo groot is als de zon, explodeert. Mits het overblijfsel van de supernova na de explosie minstens 1.4 keer zo zwaar als de zon is implodeert het overblijfsel.

Bij het imploderen worden de protonen en elektronen die zijn ontstaan door elkaar gemixt, waarna er een zogenaamde neutronenbol ontstaat. Als de supernova explodeert ontstaat er natuurlijk ook afval, dat afval blijft om de neutronenbol zweven. Samen vormen de neutronenbol en het afval een neutronenster. Als die ster 2 tot 3 keer de massa van de zon heeft spreken we van een zwart gat.

Ontsnappen?

Om het ‘ontsnappen van het licht’ te kunnen begrijpen moeten we ons voorstellen, dat de ruimte een groot rubberen doek over een gat is, waarop de planeten liggen. Op de plaatsen van de planeten wordt het doek naar beneden gedrukt door de zwaartekracht. Dit komt ook voor in de ruimte, de planeten verbuigen het licht. Dat noemen we ruimtekromming.

Het komt er op neer dat de lichtstralen die langs de planeet bewegen, worden aangetrokken door die planeet en dus een kromme baan beschrijven. Bij een zwart gat is de kromming zo groot dat het licht te ver afgebogen (aangetrokken door het zwarte gat) wordt om verder te kunnen gaan. Zie ook de verklarende figuur.

Event-horizon

Op het plaatje is de term event-horizon te zien. De Nederlandse vertaling van event-horizon is gebeurtenissenhorizon. Deze naam slaat op alle gebeurtenissen achter die ‘horizon’ die we niet kunnen waarnemen. De event-horizon is de lijn die de scheiding aangeeft tussen het werkelijke ‘gat’en de omgeving Een zwart gat heeft een veel grotere massa dan de zon of een neutronenster, daardoor wordt de ruimtekromming veel groter.

Alles wat boven de event-horizon gebeurt, is dus gewoon waarneembaar, alles wat zich eronder afspeelt is een raadsel voor de wetenschap, omdat het licht van die plek onze ogen nooit zal bereiken.

De straal van de event-horizon ook wel Schwarzschild-straal of Schwarzschild-radius genoemd, heeft ongeveer de verhouding 1 zonmassa staat tot een straal van 3 km. Vergis je niet, 1 zonmassa is te weinig om een zwart gat te kunnen veroorzaken, maar zo kunnen we de verhouding makkelijker aangeven.

Soorten

We onderscheiden drie soorten zwarte gaten.

Stellaire zwarte gaten
Middenmassieve zwarte gaten
Supermassieve zwarte gaten
Het verschil tussen deze zwarte gaten zit em. vooral in de massa ervan. Zo heeft een stellair zwart gat een massa van ongeveer 5 tot 100 zonmassa’s. Deze soort zwarte gaten komen veruit het meeste voor.

Middenmassieve zwarte gaten hebben een massa die ongeveer 500 tot 1000 of enkele duizenden zonmassa’s bedraagt.

Supermassieve zwarte gaten kennen een nog veel grotere massa, die zo groot kan zijn als de massa van een heel sterrenstelsels. Om dat in zonmassa’s uit te drukken. Het komt neer op meerdere miljoenen tot miljarden! zonmassa’s. Men vermoedt dat er ook in het centrum van de Melkweg zo’n zwart gat bestaat, wat op den duur de hele Melkweg zou opslurpen.

Hoe kunnen we ze waarnemen?

We kunnen zwarte gaten niet zien. We kunnen ze waarnemen door naar de effecten die het zwart gat op de omgeving uitoefent te kijken.

Als er bijvoorbeeld een ster in de buurt komt van een zwart gat wordt het gas van de ster door energie van het zwaartekrachtveld verwarmd. Hierdoor ontstaat radiostraling en die bewijst de aanwezigheid van een zwart gat.

Het komt vaak voor dat 2 sterren een binair systeem vormen. Hierbij draaien de sterren telkens om elkaar heen. Het kan zijn dat een ster doet alsof hij in een binair systeem zit terwijl er geen andere ster in de buurt is. In dat geval is er een zwart gat in de buurt die met zijn zwaartekracht de ster in de buurt houd.

Hoe verdwijnen zwarte gaten?

We hebben al eerder gezegd dat zwarte gaten komen en gaan. Hier lichten we het verdwijnen van zwarte gaten nader toe.

Een zwart gat geeft straling af, daarvoor is energie nodig die niet onbeperkt is, daardoor is het sterfelijk. Het verliest massa door het afgeven van straling. Hierdoor wordt de massa van de neutronenster kleiner. Hierdoor wordt het zwarte gat kleiner, de schwarzschild-radius neemt dus af. Dit gaat net zo lang door tot dat de ster al zijn energie kwijt is. Dan verdwijnt het gat, omdat de zwaartekracht te klein geworden is.

Conclusie

Zwarte gaten zitten dus een stuk ingewikkelder in elkaar dan sterren. Ze hebben bijzondere kenmerken. Het is niet waarschijnlijk dat dit mysterie binnenkort ontrafeld zal worden, tenminste zolang de natuurkundigen ze ‘singulier’ noemen. Niet alles over zwarte gaten is nu helemaal duidelijk, maar wat we wel kunnen vaststellen, is dat ze geen gedoemde plaats voorstellen, geen einde van de kosmos, want zwarte gaten vergaan ook.

Er zijn dus helemaal geen redenen om ze eng te vinden, ook al hebben ze geen al te vrolijke naam.