Zwart gat

Een zwart gat is een gebied in de ruimte waarbinnen de zwaartekracht zo sterk is dat niets, zelfs licht niet, kan ontsnappen.

De basisstructuur van een zwart gat bestaat uit een singulariteit die verborgen wordt door een waarnemingshorizon. Binnen de waarnemingshorizon is de ontsnappingssnelheid ( vesc ) groter dan de lichtsnelheid ( c ) en zit een object voor altijd gevangen. Buiten de waarnemingshorizon is vesc < c en kan het object ontsnappen.

Het bestaan van dergelijke objecten werd al aan het eind van de jaren 1700 voor het eerst geopperd. Het was echter Karl Schwarzschild (1873-1916), een Duitse astronoom, die in feite het moderne idee voor een zwart gat heeft ontwikkeld. Met behulp van Einsteins algemene relativiteitstheorie ontdekte Schwarzschild dat materie die tot een punt is samengeperst (nu bekend als een singulariteit), wordt omsloten door een bolvormig gebied in de ruimte waaruit niets kan ontsnappen. De grens van dit gebied wordt de waarnemingshorizon genoemd, een naam die betekent dat het onmogelijk is om een gebeurtenis waar te nemen die binnen dit gebied plaatsvindt (omdat informatie er niet uit kan).

Voor een niet-roterend zwart gat staat de straal van de waarnemingshorizon bekend als de Schwarzschild-straal, en geeft het punt aan waarop de ontsnappingssnelheid uit het zwarte gat gelijk is aan de snelheid van het licht. In theorie kan elke massa voldoende worden samengeperst om een zwart gat te vormen. De enige vereiste is dat de fysieke grootte kleiner is dan de Schwarzschild straal. Onze zon zou bijvoorbeeld een zwart gat worden als zijn massa in een bol met een doorsnede van ongeveer 2,5 km zou vallen.

Nau binnen de waarnemingshorizon ligt het hart van het zwarte gat – de singulariteit. Alles binnen de waarnemingshorizon wordt onherroepelijk naar dit punt getrokken, waar de kromming van de ruimtetijd oneindig wordt en de zwaartekracht oneindig sterk is. Een interessant dilemma voor astrofysici is dat de fysische omstandigheden in de buurt van een singulariteit resulteren in de volledige ineenstorting van de wetten van de fysica. Toch is er niets in de algemene relativiteitstheorie dat het bestaan van geïsoleerde, of “naakte” singulariteiten verhindert. Om te voorkomen dat we deze natuurkundige ineenstorting daadwerkelijk zouden kunnen zien gebeuren, werd de kosmische censuurconjectie voorgesteld. Deze houdt in dat elke singulariteit een waarnemingshorizon moet hebben die haar aan het zicht onttrekt – precies wat we bij zwarte gaten aantreffen.

Zwarte gaten worden volledig gekarakteriseerd door slechts drie parameters: massa, rotatie en lading. Men denkt nu dat er vier hoofdtypen zwarte gaten zijn, ingedeeld naar massa:

1. Oer-zwarte gaten hebben massa’s vergelijkbaar met of minder dan die van de aarde. Deze puur hypothetische objecten zouden gevormd kunnen zijn door de gravitationele ineenstorting van gebieden met hoge dichtheid ten tijde van de Big Bang.
2. Stellaire Massa Zwarte Gaten hebben massa’s tussen ongeveer 4 en 100 zonsmassa’s en zijn het gevolg van de kerncollaps van een massieve ster aan het eind van zijn leven.
3. Intermediaire Massa Zwarte Gaten van 102 en 105 zonsmassa’s kunnen ook bestaan. De eerste goede IMBH is de röntgenbron HLX-1, die in projectie te zien is bij het centrum van het S0-melkwegstelsel ESO 243-49.
4. Supermassieve Zwarte Gaten wegen tussen 105 en 1010 zonsmassa’s en worden gevonden in de centra van de meeste grote melkwegstelsels.

Zwarte gaten kunnen ook worden ingedeeld naar hun twee andere eigenschappen, rotatie en lading:

1. Schwarzschild Zwart Gat, ook wel bekend als een ‘statisch zwart gat’, roteert niet en heeft geen elektrische lading. Het wordt alleen gekarakteriseerd door zijn massa.
2. Het zwarte gat van Kerr is een realistischer scenario. Dit is een roterend zwart gat zonder elektrische lading.
3. Geladen zwart gat kan van twee types zijn. Een geladen, niet-roterend zwart gat staat bekend als een Reissner-Nordstrom zwart gat, een geladen, roterend zwart gat wordt een Kerr-Newman zwart gat genoemd.

Onder de klassieke algemene relativiteitstheorie zal een zwart gat, als het eenmaal is ontstaan, eeuwig blijven bestaan omdat niets eraan kan ontsnappen. Als echter ook naar de kwantummechanica wordt gekeken, blijkt dat alle zwarte gaten uiteindelijk zullen verdampen omdat ze langzaam Hawking-straling lekken. Dit betekent dat de levensduur van een zwart gat afhankelijk is van zijn massa, waarbij kleinere zwarte gaten sneller verdampen dan grotere. Zo doet een zwart gat van 1 zonsmassa er 1067 jaar over om te verdampen (veel langer dan de huidige leeftijd van het heelal), terwijl een zwart gat van slechts 1011 kg binnen 3 miljard jaar zal verdampen.

Zwarte gaten worden opgespoord door het waarnemen van hoogenergetische verschijnselen en de bewegingen van nabije objecten. Deze plot van de baanbeweging van de ster S2 rond het centrum van de Melkweg levert sterke aanwijzingen voor het bestaan van een superzwaar zwart gat (~3 miljoen zonsmassa’s) in het centrum van ons melkwegstelsel.
Credit: ESO

Observationeel bewijs voor zwarte gaten is natuurlijk niet eenvoudig te verkrijgen. Omdat straling niet aan de extreme zwaartekracht van een zwart gat kan ontsnappen, kunnen we ze niet rechtstreeks waarnemen. In plaats daarvan leiden we hun bestaan af door het waarnemen van hoogenergetische verschijnselen zoals röntgenstraling en straalstromen, en de bewegingen van nabije objecten in een baan rond de verborgen massa. Een extra complicatie is dat soortgelijke verschijnselen ook worden waargenomen rond minder massieve neutronensterren en pulsars. Om een zwart gat te kunnen identificeren moeten astronomen dus een schatting maken van de massa van het object en zijn grootte. Een zwart gat wordt bevestigd als geen enkel ander object of groep van objecten zo massief en compact kan zijn.