Zwarte gaten: de afvoerputjes van het heelal

Al vrij lang geleden was ik ongeveer 7 jaar oud en had ik een oranje plastic voetbal. Ik had ook eens stel ooms die deze bal een ontzettende schop omhoog konden geven. Je zag de bal steeds kleiner worden, totdat het (in elk geval in mijn herinnering) nog maar een stipje in de lucht was. Eindeloos veel later werd het stipje langzaam weer groter en kwam de bal met een flinke klap weer terug op aarde, waar die nog een paar keer stuiterde voordat we hem weer konden pakken. En het nog een keer herhalen, als mijn oom daar zin in had. Zou het kunnen, vroeg ik me toen al af, dat mijn oom hem zo hard zou schoppen dat de bal nooit meer terug zou komen?



Jules Verne dacht nog dat astronauten met een
kanonskogel afgeschoten zouden kunnen worden

Inmiddels ben ik een heel stuk ouder en een heel klein beetje wijzer geworden. Ik heb geleerd dat het theoretisch mogelijk, maar wel op zijn minst twijfelachtig is dat mijn oom dat voor elkaar had gekregen. Mijn oom had de bal namelijk een trap van minimaal 11,2 kilometer per seconde moeten geven om deze genoeg snelheid te geven om helemaal aan de aantrekkingskracht van de aarde te kunnen ontsnappen. Nog afgezien van de trapkracht van mijn oom was de bal dan trouwens direct ontploft, was het niet door de trap dan wel door de enorme warmte van de luchtwrijving bij meer dan 30 keer de snelheid van het geluid. Dat is ook één van de redenen dat de NASA raketten gebruikt om dingen naar andere planeten te sturen en geen kanon, zoals Jules Verne dat ooit opperde.

Die 11,2 km/s heet in de sterrenkunde de 'ontsnappingssnelheid' maar die waarde geldt alleen voor de aarde: elke planeet of ander hemellichaam heeft zijn eigen ontsnappingssnelheid. Zo heeft de Maan een ontsnappingssnelheid van 'slechts' 2,38 km/s en heb je bij de Zon ongeveer 600 km/s nodig. Die ontsnappingssnelheid is logischerwijs groter als het hemellichaam zwaarder is maar ook groter als het een kleinere afmeting heeft: bij dezelfde massa is de zwaartekracht aan het oppervlak namelijk groter als het hemellichaam klein en compact is.

Al honderden jaren geleden vroeg men zich af of er misschien dusdanig zware sterren zouden bestaan dat de ontsnappingssnelheid groter wordt dan de snelheid van het licht. En wat er dan zou gebeuren. Zouden de lichtstralen van die ster dan ook weer terugvallen op het eigen oppervlak en zou die ster dan voor waarnemers onzichtbaar kunnen worden? Om daar iets zinnigs over te zeggen moet je weten hoe licht reageert op zwaartekracht. Die interactie werd pas voorspeld in 1915, toen Albert Einstein zijn Algemene Relativiteitstheorie publiceerde.



Karl Schwarzschild ontdekte in 1915 de theoretische
mogelijkheid van een zwart gat. Dat deed hij in het
Duitse leger aan het Russische front in WWI.
Een jaar later overleed hij aan een daar opgelopen ziekte

De relativiteitstheorie heeft als belangrijkste element dat ruimte, tijd en massa niet los van elkaar gezien kunnen worden (wat tot dat moment wel gebruikelijk was in de natuurkunde). Ruimte en tijd zijn zo innig verbonden dat ze gedeeltelijk in elkaar omgezet kunnen worden. De vier-dimensionale 'ruimtetijd' die zo ontstaat wordt bovendien een beetje vervormd door massa. Door die vervorming wijken objecten in de buurt van een zwaar object iets af van hun rechte lijn door de ruimtetijd. Die gekromde beweging ervaren we dan als een kracht: de zwaartekracht. Zolang die zwaartekracht een 'normale' waarde heeft gedragen de natuurwetten zoals we die in het alledaagse leven gewend zijn. Maar wanneer je met de relativiteitstheorie naar een extreem compact (zwaar maar klein) object kijkt blijkt de vervorming van ruimtetijd zo extreem te kunnen worden dat die bekende wetten niet meer opgaan: de vervorming dicht bij dat object wordt zo sterk dat de baan van een lichtdeeltje dat naar buiten (van het object af) probeert te bewegen feitelijk toch naar binnen beweegt. En omdat niets sneller kan bewegen dan de snelheid van het licht betekent dit dat feitelijk niets meer naar buiten kan bewegen: alle licht en materie die te dicht bij zo'n extreem compact object komt verdwijnt als het ware in een gat. Omdat er ook geen straling uit kan komen is het perfect zwart: een zwart gat.

De krabnevel is het restant van een supernova explosie in het
jaar 1054. In dit geval was de overgbleven sterkern niet zwaar
genoeg: in het midden bevindt zich nu een neutronenster (pulsar).

In eerste instantie zagen natuurkundigen dit als een theoretische curiositeit en niet als iets dat misschien ook daadwerkelijk in het heelal voor zou kunnen komen. Totdat in de jaren zestig duidelijk werd dat sterren die door hun brandstof voor kernfusie heen waren in kunnen storten tot een heel klein compact object of zelfs tot een puntmassa zonder een feitelijke afmeting. Dit zit zo: zolang er in het centrum van een ster kernfusie plaatsvindt kan de hitte en druk die dit opwekt de enorme druk van de zwaartekracht van de bovengelegen gaslagen weerstaan. Zodra de brandstof op is valt die druk weg en begint de ster met een enorme snelheid in te storten. Wanneer de ster niet al te zwaar en groot is kunnen quantumeffecten tussen elektronen verdere instorting voorkomen: er vormt zich een zogenaamde witte dwergster. Als de instortende ster zwaarder is dan ongeveer anderhalve keer de massa van de zon dan houden de elektronen het ook niet meer en stort de kern van de ster tijdens een supernova explosie nog verder in tot een bol van maar een tiental kilometer, waarbij een soortgelijk quantumeffect van de neutronen in atoomkernen de instorting nog kunnen stoppen (neutronenster). Maar als de instortende ster zwaarder is dan ongeveer 3 keer de massa van onze zon dan kan geen enkele bekende kracht de instorting nog tegenhouden: de ster stort in tot misschien wel een mathematische punt. En een zwart gat is gevormd!



'Artist impression' van Cygnus X-1, één van de helderste bronnen
van röntgenstraling aan de hemel. Gas stroomt van een blauwe
reuzenster naar een onzichtbare begeleider: een zwart gat met
een superhete accretieschijf: de bron van de röntgenstraling.

Maar stel nu dat zo'n zwart gaat echt bestaat, hoe kan je hem dan ooit zien? Inderdaad komt er geen licht uit het zwarte gat, maar dat wil niet zeggen dat hij geen sporen achterlaat: zijn zwaartekracht kan hem verraden! Dat kan op verschillende manieren: gaswolken die in de buurt van een zwart gat komen worden langzaam opgeslokt. Voor dat het gas in het zwarte gat verdwijnt wordt het opeen geperst in een platte schijf die super heet kan worden en daarbij röntgenstraling gaat uitzenden (een zogenaamde accretieschijf)




Computersimulatie toont hoe een vertekend beeld van
 de achtergrond ontstaat doordat licht wordt afgebogen
 nabij het zwarte gat. In het midden is al het licht uit
 de achtergrond verdwenen in het zwarte gat. Dit wordt
 'de schaduw' genoemd.

 

Ook sterren kunnen een zwart gat verraden: sterren die om een zwart gat draaien gaan zo snel rond dat wel duidelijk is dat daar iets enorm zwaars moet staan, terwijl er niets zichtbaar is. In bepaalde gevallen kan dat eigenlijk alleen verklaard worden door de aanwezigheid van een zwart gat. En zelfs licht dat vlak langs het zwarte gat beweegt wordt afgebogen, waardoor we objecten die achter een zwart gat staan vertekend zouden kunnen zien worden.




In het sterrenstelsel Virgo A met een actieve super
 massief zwart gat in het centrum: het verraadt
zich door een 'jet' waar gas met bijna de lichtsnelheid
 wordt weggeschoten

 

Zwarte gaten die ontstaan bij het instorten van een ster zouden eigenlijk niet veel zwaarder moeten kunnen zijn dan misschien 10 keer de massa van zon. Toch zijn er inmiddels nog veel zwaardere zwarte gaten ontdekt. In het centrum van ons eigen melkwegstelsel gaat een zwart gat schuil dat maar liefst 4 miljoen keer zo zwaar is als de zon. Het lijk er zelfs op dat in het midden van elk megwegstelsel een dergelijk super massief zwarte gat schuil gaat. Hoe en wanneer deze onstaan zijn is nog niet duidelijk: misschien zijn ze ontstaan door het samenklonteren van zwarte gaten die ontstaan zijn bij het instorten van de eerste generatie sterren in het heelal, misschien zijn ze zelfs al direct bij de oerknal gevormd. Zolang er geen materie in zo'n super massief zwart gat valt zijn ze vrijwel onzichtbaar maar als er veel gas of sterren in vallen kunnen ze enorm helder en verwoestend worden. De afgelopen jaren hebben Europese sterrenkundigen de sterren in het hart van ons melkwegstel 16 jaar lang nauwkeurig gevolgd met één van de meest geavanceerde telescopen op aarde: de Very Large Telescope (VLT) in Chili. Het filmpje wat ze er van gemaakt hebben is tot op heden het mooiste exemplaar van een zwart gat dat zijn afwezigheid verraad door de beweging van de sterren in de buurt:  we zien sterren afbuigen rond iets wat heel zwaar moet zijn maar wat volledig onzichtbaar is!



Volgende keer nog meer over zwarte gaten: wat gebeurt er als je er in valt?