Geheimen van het zwarte gat
1. Wat is een zwart gat?
Dat is simpel. Het is zwart omdat het geen licht geeft, en het is een gat omdat er van alles in verdwijnt. Een zwart gat is een gebied in het heelal met een extreem sterk zwaartekrachtsveld. Licht heeft een snelheid van 300.000 kilometer per seconde – de hoogst mogelijke snelheid in de natuur. Bij een zwart gat is zelfs die enorme snelheid onvoldoende om uit de greep van de zwaartekracht los te komen. Er kan dus niets uit een zwart gat ontsnappen, zelfs geen licht. Een zwart gat is in feite een eenrichtingsdeur in het heelal: je kunt alleen naar binnen, maar nooit meer naar buiten.
animatie filmpje
2. Hoe zie je een zwart gat?
Niet. Althans, niet direct. Zwarte gaten zijn per definitie onzichtbaar - ze zenden geen enkele vorm van straling uit. Maar de invloed die ze op hun omgeving uitoefenen, is wél waarneembaar. Wanneer er gas naar binnen wordt gezogen, wordt dat door het sterke zwaartekrachtsveld enorm versneld en verhit. Nog voordat het gas voorgoed in het zwarte gat verdwijnt, zendt het daardoor energierijke röntgenstraling uit. Die kan geregistreerd worden door telescopen in een baan om de aarde. Ook uit de beweging van naburige sterren en gaswolken is het bestaan van een zwart gat soms af te leiden. Maar het gaat altijd om indirecte waarnemingen.
animatie filmpje
3. Bestaan zwarte gaten wel echt?
Geen twijfel mogelijk. Moderne röntgentelescopen, zoals het Amerikaanse Chandra-observatorium en de Europese ruimtetelescoop XMM-Newton, hebben de omloopsnelheid gemeten van rondzwierende sterren en wervelende gasschijven. Uit die snelheidsmetingen kun je de afmeting en de massa van het onzichtbare centrale object berekenen. Vaak gaat het om zo veel massa in zo’n klein gebiedje, dat een zwart gat echt de enige mogelijke verklaring is. Andere supercompacte objecten zouden namelijk niet onzichtbaar zijn, maar juist enorm veel straling produceren.
animatie filmpje
4. Hoe onstaan zwarte gaten?
A
Laat de natuur haar gang maar gaan, dan ontstaan ze vanzelf. Overigens zijn er twee soorten. De ‘stellaire’ zwarte gaten zijn een paar keer zo zwaar als de zon, maar niet groter dan een paar kilometer. Ze ontstaan wanneer een zware ster aan het eind van zijn leven explodeert als supernova.
De kern van de ster stort dan ineen tot een zwart gat. ‘Superzware’ zwarte gaten zijn veel groter, en zijn een paar miljoen of zelfs een paar miljard keer zo zwaar als de zon. Ze houden zich schuil in de kernen van de meeste sterrenstelsels. Waarschijnlijk vormen ze een onvermijdelijk bijproduct van het ontstaan van sterrenstelsels.
B
Een zwart gat is wat er overblijft als een zware ster "sterft". Sterren kun je zien als enorme kernfusie-reactoren waarbij de zwaartekracht in balans is met de explosieve kracht. Denk bij "explosieve kracht" aan de explosie van een atoombom, want een ster is eigenlijk een grote verzameling atoombommen die constant ontploffen. Alleen de zwaartekracht zorgt ervoor dat het zooitje bijeen blijft. Maar wat gebeurt er nu met een hele zware ster als de kernfusie stopt omdat de brandstof op is? Omdat de zwaartekracht niet meer wordt tegengehouden krimpt de ster en wordt steeds heter tot het een supernova veroorzaakt. Een supernova behoort tot de grootste explosies in het universum. De ster vlamt op met de kracht van honderden miljoenen tot meer dan een miljard zonnen. Dit leidt er toe dat een ster een groot gedeelte van zijn materie verliest. Wat er overblijft is een kern van extreme dichtheid met een zwaartekracht die z— sterk is, dat zelfs licht niet kan ontsnappen. Daarom noemen we het een "zwart gat". Zwart omdat geen licht van het gat naar ons kan komen.
animatie filmpje
5. Hoe veel zwarte gaten zijn er?
Vele triljoenen (een triljoen is een 1 met achttien nullen). Vrijwel elk groot sterrenstelsel – inclusief ons eigen Melkwegstelsel - heeft een superzwaar zwart gat in zijn kern. Dat betekent dat er al tientallen miljarden superzware zwarte gaten in het heelal zijn. Stellaire zwarte gaten zijn nog veel talrijker, gezien het aantal supernova-explosies. In het Melkwegstelsel komen er naar schatting al honderd miljoen voor, aldus berekeningen van de Amsterdamse hoogleraar Ed van den Heuvel. Het dichtstbijzijnde stellaire zwarte gat is hier misschien maar vijftien lichtjaar vandaan.
animatie filmpje
6. Zijn zwarte gaten gevaarlijk?
Wel als je er willens en wetens op afvliegt: voor wie de ‘horizon’ van een zwart gat passeert, is er geen weg meer terug. Op aarde hebben we echter geen last van de triljoenen zwarte gaten in het heelal; die bevinden zich op veel te grote afstanden. Het sciencefictionbeeld van allesverslindende zwarte gaten die kris-kras door de ruimte zwalken, berust dan ook op fantasie. Zelfs wanneer de zon zou veranderen in een zwart gat, zou de aarde gewoon haar baantjes blijven draaien, hoewel er dan natuurlijk geen leven meer mogelijk is door het ontbreken van licht en warmte.
animatie filmpje
7. Hoe onttrek je energie aan een zwart gat?
A
Dat lukt alleen als het zwarte gat ronddraait, en omgeven wordt door een schijf van heet gas. De zwaartekracht van het roterende zwarte gat vervormt de omringende ruimte. De magnetische veldlijnen in de gasschijf raken daardoor strak opgewonden. Het gevolg is dat het zwarte gat een beetje wordt afgeremd, en het binnendeel van de gasschijf extra wordt verhit. Jörn Wilms van de universiteit van Tübingen heeft voor het eerst zo’n kosmische dynamo ontdekt met de Europese röntgenkunstmaan XMM-Newton, op ruim honderd miljoen lichtjaar afstand van de aarde. De extreem hoge temperatuur van het binnendeel van de gasschijf kan alleen verklaard worden door deze dynamowerking.
B
Omdat een zwart gat geen licht of andere straling uitzendt, is er dus geen manier om er ŽŽn direct te detecteren. Maar we kunnen een zwart gat natuurlijk wel indirect detecteren. Dit kan op drie manieren, namelijk:
-
Massaschattingen met behulp van objecten die om een zwart gat draaien
-
Zwaartekracht-lens effecten
-
Straling van een nabije ster
-
Bij veel zwarte gaten zijn ook andere objecten in de buurt. Waar je naar zoekt is een ster of een gaswolk, die zich gedraagt alsof er een grote massa in de buurt is. Bijvoorbeeld: Een ster vertoont een draaiende beweging en er is geen zichtbare verklaring voor. Dan kun je aannemen dat de ster om een onzichtbaar object heen draait. Als je vervolgens probeert te berekenen hoe groot de massa van dit object is en je komt op een massa van op z'n minst 3x de massa van de zon, heb je mogelijk met een zwart gat te maken.
-
Extreem zware objecten zijn in staat om lichtstralen te buigen. Als je naar een verre ster kijkt en de lichtstralen komen op de weg van de ster naar jou langs een zwart gat, kan de baan van het licht afgebogen worden en kan er een soort lens-effect ontstaan. Bij observaties zie je dan vaak een dubbel beeld.
-
Een ster die zich heel dichtbij een zwart gat bevindt, staat onder invloed van diens zwaartekracht. Dan kan het gebeuren dat de buitenste lagen van de ster naar het zwarte gat worden getrokken. Het zwarte gat "eet" de ster op. Als de materie van de ster naar het zwarte gat beweegt wordt het versneld en extreem verhit. Deze materie zendt ršntgenstraling uit en deze straling kan worden gedetecteerd door speciale ršntgentelescopen.
8. Zijn zwarte gaten echt zwart?
Volgens Stephen Hawking niet. De gehandicapte theoreticus uit Cambridge heeft voorgerekend hoe er heel af en toe elementaire deeltjes uit een zwart gat kunnen ontsnappen, dankzij het onzekerheidsprincipe uit de quantumfysica. Zwarte gaten ‘verdampen’ dus heel langzaam, en hoe lichter ze worden, des te sneller dat gaat. Als er tijdens de oerknal microscopische zwarte gaatjes zijn gevormd (zo groot als een atoomdeeltje, maar even zwaar als de Mount Everest), moeten die nu ongeveer explosief verdampen. Misschien dat sommige gammaflitsen – energierijke explosies in het heelal – op die manier verklaard kunnen worden.
9. Wat voor nut heeft een zwart gat?
Geen enkel. Tenminste, voorlopig. Het ziet er niet naar uit dat er binnenkort maatschappelijke toepassingen gevonden zullen worden voor de kosmische stofzuigers. Maar in theorie zou dat wel mogelijk zijn. Een klein zwart gat in een baan om de aarde kan als ultieme vuilstortplaats dienen, en bovendien de hele wereldbevolking van energie voorzien. En grote geesten als Hawking en Richard Gott van de Princeton-universiteit beweren serieus dat je een zwart gat misschien kunt ombouwen tot een tijdmachine. In principe. Voorlopig blijft dat voer voor SF-auteurs.
10. Wat zit er in een zwart gat?
Een raadsel. Of, zoals astronomen zeggen, een singulariteit. Onze natuurkundige theorieën verliezen in een zwart gat hun geldigheid. Niemand weet wat zich achter die geheimzinnige eenrichtings-horizon afspeelt. Maar gespeculeerd wordt er volop. Volgens Lee Smolin van de Harvard-universiteit ontstaat er bij de geboorte van elk zwart gat in ons heelal een nieuwe kosmos in een andere dimensie. Zwarte gaten als de takken en twijgen van een ‘multiversele’ stamboom. Wie durft nog te beweren dat wetenschap saai is?
Een zwarte gat is alleen zichtbaar als hij zich aan het ''voeden '' is.
home
Zwart gat blaast bel in ons melkwegstelsel
Westerbork-telescoop ontdekt enorme gasbel in melkweg
Gepubliceerd op donderdag 11 augustus 2005
Een team astronomen uit Nederland, het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten heeft een enorme ‘bel’ ontdekt in het gas rond een zwart gat dat zich in ons melkwegstelsel bevindt. Deze gasbel wordt geblazen door een jet – een straalstroom – afkomstig van het zwarte gat. Deze ontdekking betekent dat wetenschappers decennialang ernstig hebben onderschat hoeveel energie zwarte gaten weer terugpompen in het heelal; zij slokken dus niet alleen materie op uit hun omgeving. De wetenschappelijke publicatie waarin de ontdekking bekend wordt gemaakt, verschijnt op 11 augustus in Nature.
De bel werd ontdekt in radio-astronomische waarnemingen met de Westerbork Synthese Radio Telescoop (WSRT) van ASTRON. De waarnemingen richtten zich op de bekende röntgen-dubbelster Cygnus X1, waarvan bekend is dat zich daar een zwart gat bevindt. De bel werd daarna eveneens aangetroffen in optische waarnemingen van de Engels-Nederlandse 2,5 m Isaac Newton Telescoop op de Canarische Eilanden.
De bel heeft een diameter van ongeveer tien lichtjaar en dijt naar voorspelling uit met een snelheid van ongeveer honderd kilometer per seconde. Het lijkt erop dat de bel gevormd is over een periode van één miljoen jaar door een krachtige stroom energie en materie (een jet) die afkomstig is uit het zwarte gat. Jets van energie en deeltjes die nagenoeg met de snelheid van het licht naar buiten stromen zijn een normaal verschijnsel bij de reusachtige zwarte gaten die zich in het hart van melkwegstelsels bevinden.
‘We wisten al dat de enorme zwarte gaten in het centrum van andere melkwegstelsels enorme hoeveelheden energie produceren, maar deze vondst bewijst dat iets dergelijks ook plaatsvindt bij de veel kleinere zwarte gaten in onze eigen achtertuin’, aldus UvA-sterrenkundige drs. Elena Gallo, hoofdauteur van de wetenschappelijke publicatie in Nature. ‘Zelfs nadat een ster is gestorven en een zwart gat is geworden, blijkt deze zijn omgeving via compleet andere mechanismen van energie te kunnen voorzien, een opmerkelijk feit.’
100.000 keer meer energie dan de zon uitstraalt
De nieuwe gedetailleerde radiowaarnemingen van het zwarte gat Cygnus X-1 laten een ring van radiostraling zien rond een bel in het nabijgelegen interstellaire gas – het resultaat van de hevige interactie van de jet met het ijle gas van het interstellaire medium dat Cygnus X-1 omgeeft.
De jet die de bel gemaakt heeft, heeft naar schatting meer dan 100.000 maal meer energie dan de hoeveelheid energie die de zon uitstraalt. Desondanks is deze ongelofelijke energiestroom alleen indirect zichtbaar door zijn invloed op het gas dat het zwarte gat omgeeft.
‘Het belang van dit resultaat is dat nu blijkt dat zwarte gaten zoals Cygnus X1, waarvan alleen al in ons melkwegstelsel waarschijnlijk miljoenen voorkomen, niet alle materie en energie vanuit hun omgeving opslokken, maar ook een aanzienlijk deel hiervan in de ruimte terugslingeren’, aldus de co-auteur van de publicatie.
Bron: UvA Persvoorlichting / ASTRON / NOVA
Universiteit Southampton
home | 
