info@wetenschapsnet.com

Wat is een zwart gat?

Wetenschap is voor iedereen

Wat is een zwart gat?

Zwarte gaten zijn een van de vreemdste dingen die er zijn. Ze lijken helemaal nergens op te slaan. Maar wees gerust, het zijn niet de ‘stofzuigers’ die in sciencefictionfilms worden geïllustreerd. Ze zijn overal te vinden. De meest zware (en grootste) zwarte gaten zijn te vinden in het hart van (waarschijnlijk) alle sterrenstelsels. Maar waar komen ze vandaan? En wat zou er gebeuren als je erin valt?

Laten we bij het begin beginnen. Hoe vormen ze zich?

Binnen een ster treedt kernfusie op. Een ster smelt waterstofatomen tot helium, dit gebeurt vanwege de druk en hitte in een ster (ook zwaartekracht speelt een rol hierbij). Naarmate de tijd verstrijkt versmelten de heliumatomen met andere atomen en hierdoor ontstaan zwaardere atomen (mocht je willen weten waar de elementen gemaakt worden zul je je vast verbazen over het antwoord, klik hier voor meer informatie). Totdat dit proces ijzeratomen vormt, deze fusie levert geen nieuwe energie op en hierdoor zal er steeds meer ijzer vormen in de kern, waardoor de ster zwaarder en groter wordt.

Zwarte gaten ontstaan ​​wanneer het evenwicht van een ster tussen de kernfusie – die veel energie afgeeft – en zijn zwaartekracht wordt verstoord. Dit gebeurt wanneer een massieve ster steeds zwaardere atomen blijft versmelten totdat deze te massief is en begint te imploderen.

Niet alle sterren hebben voldoende massa om in de kern zelfs ijzer te vormen. Maar sterren met een massa vam ongeveer 3 keer die van onze zon kunnen dit doen.

Dus, wat is een zwart gat?

De algemene relativiteitstheorie – gepubliceerd door Albert Einstein in 1916 – voorspelt dat een voldoende compacte massa de ruimtetijd kan vervormen om een ​​zwart gat te vormen. Meestal wordt het gevormd nadat een ster op zichzelf instort. Maar in theorie kan het van alles worden gemaakt als er voldoende druk op wordt uitgeoefend. Dus ook jij zelf zou in theorie een zwart gat kunnen worden, maar daarvoor is verschrikkelijk veel kracht nodig en dat zal dus (gelukkig voor jou) nooit gebeuren.

Een zwart gat is een gebied in de ruimtetijd waar de zwaartekracht zo sterk is dat er niets, geen deeltjes of elektromagnetische straling – zoals licht – uit kan ontsnappen. Dus alles wat je ziet is de waarnemingshorizon en de accretieschijf. We weten niet wat erin zit en hoe het eruit ziet, omdat het ‘donker’ is. Een zwart gat kan een oneindige dichtheid hebben, het heeft dan een singulariteit in het midden. Op dit moment weten we het helaas nog niet (omdat er nog niemand is die kwantummechanica en algemene relativiteit heeft kunnen samenvatten in 1 verhelderende theorie, de theorie van alles).

Klik op de afbeelding voor een helder beeld

Als onze zon zou worden vervangen door een zwart gat met dezelfde massa, zou er niet veel gebeuren behalve de aarde die erg snel afkoelt, waardoor het leven zoals we het kennen onmogelijk is. Maar de aarde zou niet ineens worden opgeslokt, de zwaartekracht is immers nog hetzelfde aangezien de massa van het hemellichaam waar we omheen draaien ook gelijk is gebleven. Dit heeft te maken met de wetten van de zwaartekracht. Voor dergelijke situaties volstaan de formuleringen van Sir Isaac Newton nog steeds prima, er hoeft dus niet meteen gerekend te worden met de vergelijkingen van Albert Einstein (gelukkig maar).

Een zwart gat kan worden benaderd, maar je wilt niet te dichtbij komen. Zodra de zwaartekracht je te pakken heeft zul je niet veel tijd hebben om te ontsnappen, want voorbij de waarnemingshorizon ontsnapt immers niks meer. We weten niet zo goed wat er gebeurt als je die grens passeert. Onze beste ideeën betreffen de dood of een zeer snelle dood.

Als je in een zwart gat valt, werkt de zwaartekracht met miljoenen keren meer kracht op je lichaam in slechts een paar centimeter. De zwaartekracht bij je benen is dus vele malen sterker dan die bij je hoofd (mits je er eerst met je benen in zou vallen). Dit effect rekt je lichaam zo ver uit elkaar dat zelfs cellen uit elkaar worden gescheurd. Dit effect staat bekend als “spaghettification“.

We weten dat de tijd heel anders werkt rond een zwart gat, dit blijkt uit de vergelijkingen van Einstein. Laten we een gedachte-experiment doen. Jij en een vriend zijn ​​dicht bij een zwart gat, op een veilige afstand. Je vriend probeert het zwarte gat binnen te gaan. Jij – de waarnemer – houdt je vriend goed in de gaten. Hij of zij lijkt te bevriezen in de tijd (stil te staan), wordt dan langzaam rood en verdwijnt uiteindelijk gewoon. Maar vanuit het perspectief van je vriend, zou hij of zij de tijd om hem heen zien versnellen. Dus hij of zij zou de hele toekomstige geschiedenis van het universum waarnemen. Dit gebeurt vanwege tijddilatatie (ook kun je er meer over lezen in ons eigen artikel).

Animatie van een zwart gat

Binnen in een zwart gat

In een zwart gat wisselen tijd en ruimte van rol. Hier in ons dagelijks leven kunnen we in 3 richtingen bewegen (de 3 ruimtelijke dimensies – die zijn; omhoog en omlaag, links en rechts, vooruit en achteruit). Wiskundig noemen we ze ook wel x, y, en z. En in de vierde dimensie: tijd. Hierin kunnen we echter maar in 1 richting bewegen, van verleden naar toekomst.

Maar in een zwart gat wisselen ze, dus in theorie kun je slechts in 1 ruimtelijke richting vallen, in de richting van de kern van het zwarte gat, de singulariteit. Maar je kunt door de tijd bewegen in elke richting, je kunt theoretisch naar gisteren toe gaan.

Maar om een ​​snelle stap terug te zetten naar waar we het hadden over zeer snel sterven als we een zwart gat binnengaan, is er misschien een vangst. Een kleiner zwart gat, met minder massa, zal je waarschijnlijk heel snel doden. Maar je kunt misschien een behoorlijke tijd overleven in een superzwaar zwart gat. Hoe verder je verwijderd bent van de singulariteit, hoe langer je leeft.

Bestaan zwarte gaten voor altijd?

Zwarte gaten zullen uiteindelijk verdampen vanwege een effect dat Hawkingstraling wordt genoemd, naar haar ontdekker Stephen Hawking. Om te begrijpen hoe dit werkt, moeten we naar lege ruimte kijken. Lege ruimte is helemaal niet leeg. Virtuele deeltjes duiken constant op en vormen paren die elkaar vernietigen en een klein beetje energie achterlaten. Wanneer dit precies aan de rand van een zwart gat gebeurt, wordt een van de virtuele deeltjes in het zwarte gat getrokken, terwijl de andere ontsnapt en een echt deeltje wordt. Dus het zwarte gat verliest energie. Dit gebeurt in het begin heel langzaam, maar versnelt wanneer het zwarte gat steeds kleiner wordt. Op de laatste seconde van zijn leven straalt het zwarte gat weg in een enorme explosie. Dit proces is echter zo langzaam dat het 1,0 x 10 ^ 100 (en 1 met 100 nullen) jaar duurt. Dit is zo lang dat wanneer het laatste zwarte gat weg zal verdampen, niemand in de buurt zal zijn om het te zien. Omdat lang voordat dat gebeurt, het universum te koud en te donker is geworden om het leven op elke manier mogelijk te maken.

Kortom

Een zwart gat vormt zich wanneer een massieve ster te zwaar wordt en op zichzelf instort en een singulariteit achterlaat waaruit niets, zelfs geen licht, kan ontsnappen. Dat is waarom het een zwart gat wordt genoemd, omdat er geen licht uit kan ontsnappen en het dus donker is. We kunnen enkel de waarnemingshorizon zien door de accretieschijf.

Allereerste foto van een echt zwart gat. De foto van het superzware zwarte gat in het centrum van het sterrenstelsel M87 komt nauwkeurig overeen met de theoretische verwachtingen. Beeld: Event Horizon Telescope
Deel dit bericht:

Tags: , , , , , , , , , ,

nl_NLDutch
en_GBEnglish nl_NLDutch