Zwarte gaten zijn misschien wel de meest mysterieuze objecten in het universum. Tenzij natuurlijk dingen ergens in de diepte verborgen zijn, waarvan we het bestaan niet weten en niet kunnen weten, wat onwaarschijnlijk is. Zwarte gaten hebben een enorme massa en dichtheid, samengeperst tot een punt met een kleine straal. De fysieke eigenschappen van deze objecten zijn zo vreemd dat ze de meest geavanceerde natuurkundigen en astrofysici in verwarring brengen. Sabine Hossfender, een theoretisch natuurkundige, stelde een selectie samen van tien feiten over zwarte gaten die iedereen zou moeten kennen.
Wat is een zwart gat?
De bepalende eigenschap van een zwart gat is zijn horizon. Dit is een grens waar niets, zelfs geen licht, kan terugkeren. Als een vrijstaand gebied voor altijd onthecht raakt, hebben we het over een ‘gebeurtenishorizon’. Als het slechts tijdelijk is gescheiden, spreken we van de 'zichtbare horizon'. Maar dit "tijdelijke" zou ook kunnen betekenen dat de regio veel langer gescheiden zal zijn dan de huidige leeftijd van het universum. Als de horizon van het zwarte gat tijdelijk maar langlevend is, is het verschil tussen het eerste en het tweede wazig.
Hoe groot zijn zwarte gaten?
Je kunt je de horizon van een zwart gat voorstellen als een bol, en de diameter ervan zal recht evenredig zijn met de massa van het zwarte gat. Dus hoe meer massa er in het zwarte gat valt, hoe groter het zwarte gat wordt. In vergelijking met stellaire objecten zijn zwarte gaten echter klein, omdat massa onder invloed van onweerstaanbare zwaartekracht tot zeer kleine volumes wordt samengeperst. De straal van een zwart gat met een massa van planeet Aarde is bijvoorbeeld slechts enkele millimeters. Dit is 10.000.000.000 keer minder dan de huidige straal van de aarde.
Promotie video:
De straal van een zwart gat wordt de Schwarzschild-straal genoemd naar Karl Schwarzschild, die voor het eerst zwarte gaten afleidde als een oplossing voor Einsteins algemene relativiteitstheorie.
Wat gebeurt er aan de horizon?
Als je de horizon oversteekt, gebeurt er niets bijzonders om je heen. Allemaal vanwege het equivalentieprincipe van Einstein, waaruit volgt dat je het verschil tussen de versnelling in de vlakke ruimte en het zwaartekrachtveld, dat de kromming van de ruimte creëert, niet kunt vinden. Een waarnemer die echter weg van het zwarte gat is en kijkt hoe iemand anders erin valt, zal merken dat de persoon steeds langzamer beweegt en de horizon nadert. Het is alsof de tijd langzamer beweegt in de buurt van de waarnemingshorizon dan weg van de horizon. Er zal echter enige tijd verstrijken en de waarnemer die in het gat valt, zal de waarnemingshorizon oversteken en zichzelf binnen de straal van Schwarzschild bevinden.
Wat je aan de horizon ervaart, hangt af van de getijdekrachten van het zwaartekrachtveld. De getijdekrachten aan de horizon zijn omgekeerd evenredig met het kwadraat van de massa van het zwarte gat. Dit betekent dat hoe groter en massiever het zwarte gat is, hoe minder kracht. En als alleen het zwarte gat enorm genoeg is, kun je de horizon oversteken voordat je zelfs maar merkt dat er iets gebeurt. Het effect van deze getijdenkrachten zal je rekken: de technische term die natuurkundigen hiervoor gebruiken is spaghettificatie.
In de vroege dagen van de algemene relativiteitstheorie geloofde men dat er een singulariteit aan de horizon was, maar dit bleek niet het geval te zijn.
Wat zit er in een zwart gat?
Niemand weet het zeker, maar zeker niet de boekenplank. De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat er in een zwart gat een singulariteit is, een plaats waar getijdekrachten oneindig groot worden, en als je eenmaal de waarnemingshorizon passeert, kun je nergens anders heen dan in de singulariteit. Daarom is het beter om op deze plaatsen geen algemene relativiteitstheorie te gebruiken - het werkt gewoon niet. Om te weten wat er in een zwart gat gebeurt, hebben we een theorie van kwantumzwaartekracht nodig. Het is algemeen aanvaard dat deze theorie de singulariteit door iets anders zal vervangen.
Hoe ontstaan zwarte gaten?
We kennen momenteel vier verschillende manieren waarop zwarte gaten ontstaan. Het beste begrip wordt geassocieerd met de ineenstorting van de sterren. Een ster die groot genoeg is vormt een zwart gat nadat de kernfusie is gestopt, omdat alles wat al kon worden gesynthetiseerd, is gesynthetiseerd. Wanneer de door fusie veroorzaakte druk ophoudt, begint materie naar zijn eigen zwaartekrachtcentrum te vallen en wordt het steeds dichter. Uiteindelijk wordt het zo dicht dat niets het zwaartekrachteffect op het oppervlak van de ster kan overwinnen: zo wordt een zwart gat geboren. Deze zwarte gaten worden "zwarte gaten van de zonnemassa" genoemd en komen het meest voor.
Het volgende veel voorkomende type zwart gat is het "superzware zwarte gat", dat in de centra van vele sterrenstelsels kan worden aangetroffen en een massa heeft die ongeveer een miljard keer groter is dan die van zwarte gaten in de zon. Het is nog niet precies bekend hoe ze worden gevormd. Aangenomen wordt dat ze ooit begonnen als zwarte gaten met een massa van de zon die vele andere sterren in dichtbevolkte galactische centra verteerden en groeiden. Ze lijken materie echter sneller op te nemen dan dit simpele idee suggereert, en hoe ze dat precies doen, is nog steeds een kwestie van onderzoek.
Een meer controversieel idee was de oorspronkelijke zwarte gaten, die gevormd kunnen zijn door bijna elke massa in grote dichtheidsschommelingen in het vroege universum. Hoewel het mogelijk is, is het moeilijk om een model te vinden dat ze produceert zonder ze te veel te creëren.
Ten slotte is er het zeer speculatieve idee dat zich bij de Large Hadron Collider kleine zwarte gaten zouden kunnen vormen met massa's die dicht bij die van het Higgs-deeltje liggen. Dit werkt alleen als ons universum extra dimensies heeft. Tot dusverre is er geen bevestiging voor deze theorie.
Hoe weten we of zwarte gaten bestaan?
We hebben veel observationeel bewijs voor compacte objecten met grote massa die geen licht uitstralen. Deze objecten geven zichzelf weg door zwaartekracht, bijvoorbeeld door de beweging van andere sterren of gaswolken om hen heen. Ze creëren ook gravitatielenzen. We weten dat deze objecten geen stevig oppervlak hebben. Dit volgt uit waarnemingen, omdat materie die op een object met een oppervlak valt, meer deeltjes zou moeten laten vrijkomen dan materie die door de horizon valt.
Waarom zei Hawking vorig jaar dat zwarte gaten niet bestaan?
Hij bedoelde dat zwarte gaten geen eeuwige waarnemingshorizon hebben, maar slechts een tijdelijke schijnbare horizon (zie paragraaf één). In strikte zin wordt alleen de waarnemingshorizon als een zwart gat beschouwd.
Hoe zenden zwarte gaten straling uit?
Zwarte gaten zenden straling uit vanwege kwantumeffecten. Het is belangrijk op te merken dat dit kwantumeffecten van materie zijn, geen kwantumeffecten van zwaartekracht. De dynamische ruimtetijd van een instortend zwart gat verandert de definitie van een deeltje. Net als het verstrijken van de tijd, die wordt vervormd naast een zwart gat, is het concept van deeltjes te afhankelijk van de waarnemer. In het bijzonder, wanneer een waarnemer die in een zwart gat valt, denkt dat hij in een vacuüm valt, denkt een waarnemer ver van het zwarte gat dat dit geen vacuüm is, maar een ruimte vol deeltjes. Het is het uitrekken van de ruimte-tijd die dit effect veroorzaakt.
Voor het eerst ontdekt door Stephen Hawking, wordt de straling die wordt uitgezonden door een zwart gat Hawking-straling genoemd. Deze straling heeft een temperatuur die omgekeerd evenredig is met de massa van het zwarte gat: hoe kleiner het zwarte gat, hoe hoger de temperatuur. De stellaire en superzware zwarte gaten die we kennen, hebben temperaturen ver onder de temperatuur van de microgolfachtergrond en worden daarom niet waargenomen.
Wat is een informatieparadox?
De paradox van informatieverlies wordt veroorzaakt door Hawking-straling. Deze straling is puur thermisch, dat wil zeggen, het heeft alleen temperatuur bij toeval en heeft bepaalde eigenschappen. De straling zelf bevat geen informatie over hoe het zwarte gat is ontstaan. Maar wanneer een zwart gat straling uitzendt, verliest het massa en trekt het samen. Dit alles is volledig onafhankelijk van de substantie die onderdeel werd van het zwarte gat of waaruit het werd gevormd. Het blijkt dat als je alleen de eindtoestand van verdamping kent, je niet kunt zeggen waaruit het zwarte gat is gevormd. Dit proces is "onomkeerbaar" - en de vangst is dat er in de kwantummechanica geen sprake is van een dergelijk proces.
Het blijkt dat de verdamping van een zwart gat onverenigbaar is met de kwantumtheorie die we kennen, en er moet iets aan worden gedaan. Elimineer de inconsistentie op de een of andere manier. De meeste natuurkundigen geloven dat de oplossing is dat Hawking-straling op de een of andere manier informatie moet bevatten.
Wat stelt Hawking voor om de informatieparadox van het zwarte gat op te lossen?
Het idee is dat zwarte gaten een manier moeten hebben om informatie op te slaan die nog niet is geaccepteerd. Informatie wordt opgeslagen aan de horizon van een zwart gat en kan kleine verplaatsingen van deeltjes in Hawking-straling veroorzaken. Bij deze kleine verplaatsingen kan er informatie zijn over de ingesloten materie. De exacte details van dit proces zijn momenteel onduidelijk. Wetenschappers wachten op een meer gedetailleerd technisch document van Stephen Hawking, Malcolm Perry en Andrew Strominger. Ze zeggen dat het eind september zal verschijnen.
Op dit moment zijn we er zeker van dat zwarte gaten bestaan, we weten waar ze zijn, hoe ze ontstaan en wat ze uiteindelijk zullen worden. Maar de details van waar de informatie naar toe gaat, vertegenwoordigen nog steeds een van de grootste mysteries in het universum.
Ilya Khel
