Zwarte Gaten
Zwarte gaten zijn de meest geheimzinnige objecten in het universum. Vooral omdat we er niet in kunnen kijken.
door Gerben de Jong
We weten niet wat zich in een zwart gat afspeelt. We kunnen wel zien wat zich vlak bij een zwart gat afspeelt. Zwarte gaten zijn er in heel veel verschillende maten:
- Mini zwarte gaten.
Deze variëren van tientallen microgram tot de massa van onze maan. Ze zouden zijn ontstaan door druk van buitenaf, zoals tijdens de Big Bang. De grootte is ongeveer een tiende millimeter. - Stellaire zwarte gaten.
Deze ontstaan uit sterren met een massa van minimaal 5 tot een paar 100 maal de massa de massa van de zon. De grootte is maximaal zo’n 30 kilometer. - Middelgrote zwarte gaten.
Deze zwarte gaten hebben een massa van 500 tot 1000 maal de massa van de zon. Over het ontstaan is nog niet veel bekend. Deze zijn ongeveer zo groot als onze aarde.
- Superzware zwarte gaten.
Met een massa van vijftigduizend tot miljarden maal de zonmassa heb je een echt superzwaar zwart gat. Je vindt ze in het centrum van sterrenstelsels zoals ons eigen melkwegstelsel. Ze kunnen zo groot zijn als 400 Astronomische Eenheden. De afstand van de zon tot Pluto is 40 Astronomische Eenheden! Sterren draaien om dit zwarte gat als de planeten om onze zon.
Wat is er nu aan de hand met een zwart gat?
Wanneer je op de aarde omhoog springt, val je weer terug. Er is een raket voor nodig om je helemaal los van de aarde te krijgen. Maar met een startsnelheid van minimaal 7,9 kilometer per seconde lukt het. Dan kom je in een baan om de aarde terecht. Als je echt wilt ontsnappen, moet je starten met een snelheid van 11,2 kilometer per seconde. Dan blijf je ook niet meer om de aarde heen draaien, maar je verdwijnt in de ruimte. Deze snelheid heet de “ontsnappingssnelheid”. Die van de aarde is dus 11,2 kilometer per seconde. Voor de veel lichtere maan is die ontsnappingssnelheid maar 2,38 kilometer per seconde. Voor een kleine planetoïde zou die snelheid wel eens een paar meter per seconde kunnen zijn. Dit betekent dat je niet te hard moet opspringen vanaf het oppervlak, want anders kom je nooit meer terug. In een zwart gat is de massa zó dicht op elkaar geperst, dat de ontsnappingssnelheid aan het oppervlak groter is dan 300.000 kilometer per seconde. Dit is de lichtsnelheid, dus zelfs licht “springt” niet hard genoeg om te ontsnappen. Vandaar de term zwart gat. Er komt geen licht uit.
Karl Schwartzschild had bedacht, dat licht op een bepaalde afstand van een zwart gat nog net kan ontsnappen. Die afstand heet nu de Schwartzschild straal. Die grens wordt wel de “waarnemingshorizon” (of “event horizon”) genoemd. Tot daar kun je kijken maar niet verder naar binnen. Het midden van een zwart gat heet “singulariteit”.
Karl Schwartzschild had bedacht, dat licht op een bepaalde afstand van een zwart gat nog net kan ontsnappen. Die afstand heet nu de Schwartzschild straal. Die grens wordt wel de “waarnemingshorizon” (of “event horizon”) genoemd. Tot daar kun je kijken maar niet verder naar binnen. Het midden van een zwart gat heet “singulariteit”.
Een stellair zwart gat ontstaat wanneer een grotere ster is opgebrand. De ster stort ineen en de buitenste lagen ploffen er af. Dan zie je een supernova. Wanneer de rest van de ster verder in elkaar stort kan een zwart gat ontstaan. De tegendruk van de straling is weggevallen en de zwaartekracht perst het sterrenmateriaal steeds dichter op elkaar.
Spaghetti effect
Wanneer je op de aarde staat, zijn je voeten iets dichter bij het centrum van de aarde dan je hoofd. Dus de zwaartekracht op je voeten is iets sterker dan de zwaartekracht op je hoofd. Daar merk je overigens helemaal niets van want het verschil in zwaartekracht is te klein. Maar als je te dicht in de buurt van een zwarte gat komt, gaat dat verschil een rol spelen. Wanneer je met je voeten vooruit het zwarte gat in valt, wordt er door het zwarte gat véél harder aan je voeten getrokken dan aan je hoofd. Je wordt als het ware uitgerekt. Het resultaat is dat je eruit komt te zien als een sliert spaghetti.
Wanneer je op de aarde staat, zijn je voeten iets dichter bij het centrum van de aarde dan je hoofd. Dus de zwaartekracht op je voeten is iets sterker dan de zwaartekracht op je hoofd. Daar merk je overigens helemaal niets van want het verschil in zwaartekracht is te klein. Maar als je te dicht in de buurt van een zwarte gat komt, gaat dat verschil een rol spelen. Wanneer je met je voeten vooruit het zwarte gat in valt, wordt er door het zwarte gat véél harder aan je voeten getrokken dan aan je hoofd. Je wordt als het ware uitgerekt. Het resultaat is dat je eruit komt te zien als een sliert spaghetti.
Hawkingstraling
Een vreemd effect is dat er in de ruimte voortdurend deeltjesparen ontstaan. Maar ze zijn ook zó weer weg (na 10-40seconde). Dus wij merken daar niets van. Deze deeltjes worden “virtuele deeltjes” genoemd. Dit effect heeft Stephen Hawking voorspeld. Maar als zo’n deeltjespaar nu precies op de rand van de waarnemingshorizon ontstaat, met één deeltje erbinnen en één deeltje erbuiten, dan kan één deeltje niet meer weg. Dus het andere deeltje kan dan niet meer samen met z’n partnerdeeltje weer verdwijnen. Het deeltje schiet de ruimte in als een soort straling. Maar dat heeft de ruimte wel energie gekost en dat krijgt de ruimte nu niet meer terug! Het zwarte gat moet dan de rekening betalen. Het zwarte gat raakt energie kwijt. De energie die de ruimte op de waarnemingshorizon heeft gebruikt om die twee deeltjes te maken en waarvan er eentje is ontsnapt. Zo “verdampt” een zwart gat en wordt langzaam maar zeker steeds kleiner terwijl er supersnelle deeltjes van de waarnemingshorizon van het zwarte gat af komen.
Meer lezen van Gerben de Jong.
Gerben de jong is voorzitter van Sterrenvereniging Astra Alteria en heeft als docent natuurkunde op het Marnix College te Ede gewerkt. Op het Marnix College en ook op de school waar hij voor het Marnix werkte heeft hij jaarlijks een clubje brugklasleerlingen begeleid die geïnteresseerd waren in sterrenkunde: de Milky Way Club. Gerben wil ons graag laten zien hoe mooi en vooral wijds de sterrenhemel is.