Een zwart gat is een ruimtelijk fenomeen van extreem hoge proporties (meestal groter dan de zon) en met massa extreem compact, wat resulteert in een zwaartekrachtsveld dat zo sterk is dat er geen deeltjes of straling zijn weet eruit te komen.
Omdat zelfs licht wordt aangezogen, wordt de aanwezigheid van een zwart gat bewezen door waarneembare zwaartekrachtsgevolgen. in zijn omgeving, vooral door de baanveranderingen van nabijgelegen hemellichamen, die aangetrokken worden door het gat zwart.
Bovendien beweren astronomen en wetenschappers dat een zwart gat waarneembaar kan zijn vanwege zijn lichtemissie.
Eerste foto van een zwart gat
Eerste afbeelding van een zwart gat met een diameter van 40 miljard kilometer in Galaxy M87, 50 miljoen lichtjaar van de aarde. Foto: evenement Horizont Telescope.
De eerste afbeelding van een zwart gat werd in april 2019 vrijgegeven op een conferentie in Brussel. Het werd gevonden, na 2 jaar observatie en onderzoek, door het internationale project genaamd Event Horizon Telescope (EHT), die bijna een dozijn radiotelescopen in de wereld samenbrengt, van Europa tot de Pool Zuiden.
In de afbeelding is het enige zichtbare deel van het zwarte gat de gouden cirkel, door astronomen genoemd "gebeurtenishorizon" (gebeurtenishorizon in het Portugees) of 'point of no return'.
In het midden van de waarnemingshorizon bevindt zich een onberekenbare massadichtheid, singulariteit genaamd. De zwaartekracht van dit punt is zo sterk dat omringende objecten niet kunnen ontsnappen.
In theorie zou alleen iets dat sneller beweegt dan de lichtsnelheid het zwaartekrachtsveld van een zwart gat kunnen weerstaan. Om deze reden is het niet mogelijk om zeker te weten wat er gebeurt met de opgezogen materie.
Hoe ontstaat een zwart gat?
Zwarte gaten worden gevormd door zwaartekrachtinstortingen van hemellichamen. Deze verschijnselen treden op wanneer de interne druk van een lichaam (meestal sterren) onvoldoende is om zijn eigen massa te behouden. Dus wanneer de kern van de ster instort als gevolg van de zwaartekracht, explodeert het hemellichaam waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen in een gebeurtenis die bekend staat als supernova.
Representatief beeld van een supernova.
Tijdens een supernova wordt in een fractie van een seconde de hele massa van de ster in zijn kern samengedrukt terwijl deze naar de ongeveer 1/4 van de lichtsnelheid (in feite zijn op dit moment de zwaarste elementen in het universum) gemaakt).
Dan zal de explosie aanleiding geven tot een neutronenster of, als de ster groot genoeg is, zal het resultaat de vorming van een zwart gat zijn, waarvan de astronomische hoeveelheid geconcentreerde massa het bovengenoemde zwaartekrachtsveld creëert. Daarin moet de ontsnappingssnelheid (de snelheid die nodig is voor een deeltje of straling om weerstand te bieden aan de aantrekking) op zijn minst groter zijn dan de lichtsnelheid.
Hoe groot is een zwart gat?
Zwarte gaten zijn er in verschillende maten. De kleinste die de wetenschap kent, worden oerzwarte gaten genoemd en worden verondersteld de grootte van een atoom te hebben, maar met de totale massa van een berg.
Middelgrote zwarte gaten (waarvan de massa tot 20 keer de totale massa van de zon is) worden stellair genoemd. In deze categorie is het kleinste ontdekte zwarte gat 3,8 keer de zonnemassa.
De grootste gecatalogiseerde zwarte gaten worden superzware gaten genoemd, die vaak in het centrum van sterrenstelsels worden aangetroffen. In het centrum van de Melkweg bevindt zich bijvoorbeeld Boogschutter A, een zwart gat met een massa gelijk aan 4 miljoen keer de massa van de zon.
Tot nu toe heet het grootste bekende zwarte gat S50014+81, waarvan de massa veertig miljard keer de massa van de zon is.
Soorten zwarte gaten
De Duitse theoretisch natuurkundige Albert Einstein formuleerde een reeks hypothesen met betrekking tot zwaartekracht die als basis dienden voor de opkomst van de moderne natuurkunde. Deze reeks ideeën kreeg de naam Algemene relativiteitstheorie, waarin de wetenschapper verschillende baanbrekende observaties deed over de zwaartekrachtseffecten van zwarte gaten.
Voor Einstein zijn zwarte gaten "vervormingen in ruimte-tijd veroorzaakt door de enorme hoeveelheid geconcentreerde materie". Zijn theorieën bevorderden snelle vooruitgang in het gebied en maakten de classificatie van verschillende soorten zwarte gaten mogelijk:
Schwarzschild zwart gat
Zwarte gaten van Schwarzschild zijn die die geen elektrische lading hebben en ook geen impulsmoment hebben, dat wil zeggen dat ze niet rond hun as draaien.
Kerr zwart gat
Kerr zwarte gaten hebben geen elektrische lading maar draaien om hun as.
Reissner-Nordstrom zwart gat
Reissner-Nordstrom zwarte gaten dragen een elektrische lading, maar draaien niet om hun as.
Kerr-Newman zwart gat
Kerr-Newman zwarte gaten dragen een elektrische lading en draaien om hun as.
In theorie worden alle soorten zwarte gaten uiteindelijk Schwarzschild (statische en ongeladen) zwarte gaten wanneer ze genoeg energie verliezen en stoppen met draaien. Dit fenomeen staat bekend als Penrose-proces. In dergelijke gevallen is de enige manier om het ene Schwarzschild-zwarte gat van het andere te onderscheiden, door zijn massa te meten.
Structuur van een zwart gat
Zwarte gaten zijn onzichtbaar omdat hun zwaartekrachtsveld zelfs voor licht onontkoombaar is. Zo heeft een zwart gat het uiterlijk van een donker oppervlak waaruit niets wordt gereflecteerd en er is geen bewijs van wat er gebeurt met de elementen die erin worden gezogen. Echter, uitgaande van de waarneming van de effecten die ze in hun omgeving veroorzaken, structureert de wetenschap zwarte gaten in gebeurtenishorizon, singulariteit en ergosfeer.
Gebeurtenishorizon
De grens van het zwaartekrachtveld van het zwarte gat waarvandaan niets wordt waargenomen, wordt de waarnemingshorizon genoemd punt van geen terugkeer.
Grafische weergave van een waarnemingshorizon, geleverd door NASA, waarin een perfecte bol wordt waargenomen waaruit geen licht wordt uitgestraald.
Ondanks dat het in feite slechts zwaartekrachtgevolgen zijn, wordt de gebeurtenishorizon beschouwd als onderdeel van de structuur van een zwart gat omdat dit het begin is van het waarneembare gebied van het fenomeen.
Het is bekend dat zijn vorm perfect bolvormig is in statische zwarte gaten en schuin in roterende zwarte gaten.
Omdat gravitationele tijdsdilatatie, de invloed die de massa van het zwarte gat uitoefent op ruimte-tijd zorgt ervoor dat de waarnemingshorizon, zelfs buiten zijn bereik, de volgende effecten heeft:
- Voor een verre waarnemer zou een klok dichtbij de waarnemingshorizon langzamer bewegen dan een klok verder weg. Dus elk object dat in het zwarte gat wordt gezogen, lijkt te vertragen totdat het op tijd lijkt te zijn verlamd.
- Voor een verre waarnemer zou het object dat de waarnemingshorizon nadert een roodachtige tint krijgen, een gevolg van: fysiek fenomeen dat bekend staat als roodverschuiving, omdat de frequentie van het licht wordt verminderd door het zwaartekrachtveld van het gat hole zwart.
- Vanuit het oogpunt van het object zou de tijd voor het hele universum in een versneld tempo verstrijken, terwijl voor jou de tijd normaal zou verlopen.
singulariteit
Het middelpunt van een zwart gat, waar de massa van de ster oneindig is geconcentreerd, wordt een singulariteit genoemd, waarover weinig bekend is. In theorie bevat de singulariteit de totale massa van de ingestorte ster, plus de massa van alle lichamen die door het zwaartekrachtsveld worden opgezogen, maar heeft geen volume of oppervlak.
ergosfeer
De ergosfeer is een zone die de waarnemingshorizon omringt in roterende zwarte gaten, waarin het onmogelijk is voor een hemellichaam om stil te blijven staan.
Ook volgens de relativiteitstheorie van Einstein heeft elk roterend object de neiging om de ruimtetijd er dichtbij te slepen. In een roterend zwart gat is dit effect zo sterk dat een hemellichaam in de tegenovergestelde richting zou moeten bewegen met een hogere snelheid dan de lichtsnelheid om stil te blijven staan.
Het is belangrijk om ergosfeereffecten niet te verwarren met gebeurtenishorizoneffecten. De ergosfeer trekt geen objecten aan met het zwaartekrachtveld. Dus alles wat ermee in contact komt, zal alleen in de ruimte-tijd worden verplaatst en alleen worden aangetrokken als het de waarnemingshorizon overschrijdt.
De theorieën over zwarte gaten van Stephen Hawkingorie
Stephen Hawking was een van de meest invloedrijke natuurkundigen en kosmologen van de 20e en 21e eeuw. Onder zijn talrijke bijdragen loste Hawking verschillende door Einstein voorgestelde stellingen op dat: bijgedragen aan de theorie dat het universum in een singulariteit begon, wat de bel Oerknaltheorie.
Hawking geloofde ook dat zwarte gaten niet helemaal zwart zijn, maar kleine hoeveelheden warmtestraling uitzenden. Dit effect was in de natuurkunde bekend als: Hawking-straling. Deze theorie voorspelt dat zwarte gaten massa zouden verliezen met de vrijkomende straling en, in een extreem langzaam proces, zouden krimpen totdat ze verdwenen.
Zie ook:
- Relativiteitstheorie
- Zwaartekracht
- oerknal
