ZWarte gaten zijn minder onzichtbaar dan je denkt! Je zit op je fiets

ZWarte gaten zijn minder onzichtbaar dan je denkt!
Je zit op je fiets en ziet verderop een heel leuk persoon voorbij komen. Maar dan fiets je tegen een Amsterdammetje aan ... en je valt naar beneden. Je zou soms willen datje ook naar boven kon vallen. Misschien moeten
we maar naar Australie gaan, daar is immers alles andersom. Maar nee, ook daar zul je naar de aarde toevallen.
Het lijkt wei alsof de aarde alles naar zich toe wil halen. Dit is ook zoo En dat geldt niet aileen voor de aarde,
maar voor aile voorwerpen in het heelal. Dus eigenlijk wil jouw lichaam (ook een voorwerp) ook graag tegen de
aarde botsen ... Dit heeft natuurlijk te maken met de aantrekkingskracht of zwaartekracht.
n het heelal draait alles om de zwaartekracht. De
zwaartekracht zorgt ervoor dat grote wolken gas
en stof kunnen samenklonteren. En als bij die
samenklontering genoeg materie is verzameld,
worden druk en temperatuur in het inwendige zo
groot, dat er kernfusiereacties beginnen: er ontstaat
een ster. Sterren leven vele miljoenen, vaak zelfs
miljarden jaren, en ook daarbij speelt de
zwaartekracht een belangrijke rol. Hij zorgt er
namelijk voor dat sterren stabiel blijven . Ais er geen
zwaartekracht zou zijn, zou de ster door de enorme
druk in zijn inwendige opzwellen, totdat er geen ster
meer over was.
,
Eddy
Echternach
Het evenwicht in het inwend ige van sterren is echter
van beperkte duur. Ooit komt het moment dat de
brandstof in de kern van de ster op raakt, en dan
stoppen ook de kernfusiereacties. En dan grijpt de
zwaartekracht pas echt zijn kans: de druk naar
buiten valt weg en de ster stort in. Een ster als onze
zon verandert daarbij in een witte dwerg: een
sterretje ter grootte van de aarde, maar met de
massa van de zon (minus een beetje). De materie in
zo'n witte dwerg is enorm samengeperst. Een melkpak vol weegt al gauw een miljoen kilo!
Sommige sterren worden geen witte dwerg . Ze zijn
zelfs aan het eind van hun leven nog zo zwaar dat
hun materie door de zwaartekracht nog dichter
wordt samengeperst. Het sterretje dat overblijft is
maar een kilometer of tien groot, en de materie
weegt hier ongeveer duizend miljard kilo per
melkpak. En als je de materie van zo ' n ster nader zou
bestuderen, dan zou je ontdekken dat deze helemaal
niet meer uit atomen bestaat. Wat vroeger een
mengsel van protonen, neutronen en elektronen
was, bestaat nu aileen nog maar uit neutronen. Vandaar dat zulke sterretjes neutronensterren
worden genoemd.
:z.~~~:p-fJ nu ~~
2Ui~k~Q.cht - .. .
ftleeQ
4
Neutronensterren ontstaan aileen wanneer
een zware ster aan het eind van zijn leven
ontploft en daarbij zijn buitenlagen
wegblaast. Zo'n ontploffing wordt een
supernova genoemd . Ais bij zo'n supernova een restant ov.erblijft dat minstens drie
keer zo zwaar is als de zon, neemt de
zwaartekracht zelfs geen genoegen met
een neutronenster. De materie die bij
UniVersum 3 - 1999
kleinere massa's nog voldoende tegengas weet te
geven, verliest het bij zware sterren geheel van de
zwaartekracht. De bal van tien kilometer stort verder
in, en nog verder, en nog verder, totdat.. ..ja, wat
eigenlijk?
Bodemloze 'put'
Ais je de zwaartekracht de kans geeft, gooit hij aile
materie op een hoop. De hemellichamen in het
heelal moeten echt hun best doen om aan de greep
van de zwaartekracht te ontsnappen . De materie in
een ster lukt dat door heel heet te zijn, waardoor de
afzonderlijke atomen met grote snelheid tegen de
zwaartekracht op kunnen boksen. En de maan
bijvoorbeeld valt niet op de aarde, omdat hij een
bepaalde snelheid heeft, die ervoor zorgt dat hij
keurig in zijn baan blijft. (Als je de maan stil zou
kunnen zetten, zou hij inderdaad gewoon als een
vallende appel op aarde neerploffen!)
Maar wat als de zwaartekracht het wei wint? In dat
geval is er geen redden meer aan. Wat eens de drie
zonsmassa's zware kern van een ster was, stort ineen
tot iets dat je niet eens meer kunt waarnemen : een
zwart gat.
Een zwart gat is eigenlijk geen ding . Het is een
gebied in de ruimte waar de zwaartekracht dermate
sterk is, dat niets eraan kan ontsnappen . Het woord
'gat' geeft aan dat er wei dingen in kunnen vallen,
maar er nooit meer uit kunnen komen. Dat geldt
zelfs voor fotonen of lichtdeeltjes. Vandaar ook het
woord 'zwart': een zwart gat zendt per definitie
geen licht uit.
.
Ais je dacht dat zwarte gaten een nieuwe 'uitvinding' zijn, die speciaal voor de serie Startrek zijn
bedacht, moeten we je teleurstellen . Zwarte gaten
werden al een paar honderd jaar geleden bedacht.
AI in 1783 bedacht de Engelsman John Mitchell dat
er zwarte gaten konden bestaan. Zijn redenering
was heel eenvoudig . Kijk maar eens naar de
ontsnappings-snelheid van een hemellichaam, de
snelheid die je moet hebben om aan de
aantrekkingskracht van dat hemellichaam te kunnen
ontsnappen . Voor de aarde is die snelheid ruim 11
kilometer per seconde, maar bij de vee I zwaardere
planeet Jupiter is dat 59,5 km/s. In grote lijnen geldt
dat hoe zvvaarder en kleiner (!) een hemellichaam is,
des te groter je snelheid moet zijn om aan zijn
een
grate
supercomputer
hebben
zwaartekracht te ontsnappen. Met
Mitchell rekende uit dat een sterrenkundigen berekend hoe materie van een
ster met dezelfde dichtheid als gewone ster naar een naburig zwart gat stroomt. Oit
plaatje laat zien hoe de beide hemellichamen via een
de zon en een 500 keer zo
soort 'navelstreng' met elkaar verbonden zijn. De
grote middellijn een ontsnap- materie van de ster verdwijnt niet onmiddellijk in het
pingssnelheid zou hebben van zwarte gat, maar spiraalt geleidelijk naar binnen en
300.000 km/s oftewel de snelverzamelt zich in de accretieschij{.
heid van het licht. Het licht dat
van het oppervlak van zo'n zware ster zou praberen driemaal de massa
weg te komen, zou het verliezen van de van het zwarte gat
in lOnsmassa's. Ais
zwaartekracht en nooit kunnen ontsnappen .
onze
zon een zwart
Inmiddels weten we dat Mitchell niet helemaal gelijk
gat
was,
dan lOU
had. Je hebt de algemene relativiteitstheorie van
zijn
horizon
een
Albert Einstein nodig om zwarte gaten te
middellijn
van
drie
beschrijven . De algemene relativiteitstheorie is
eigenlijk niets anders dan versie 2.0 van de zwaarte- kilometer hebben.
krachtstheorie van Newton . Is de zwaartekracht bij De horizon van een
Newton nog 'gewoon' een kracht die op zwart gat van tien zonsmassa's heeft een middellijn
mysterieuze wijze alles tot op de grootste afstanden van 10 x 3 = 30 kilometer. Enzovoorts.
naar zich toe weet te trekken, bij Einstein is hij
veranderd in iets dat je eigenlijk nauwelijks meer een Eigenschappen
Een zwart gat is eigenlijk een heel simpel ding. Hij
kracht kunt noemen.
heeft maar twee eigenschappen: massa en rotatie.
Hoe
de materie in zo'n zwart gat eruit ziet is onVolgens Einstein vervormt materie met zijn massa de
bekend,
omdat we er immers niet 'in' kunnen kijken .
omringende ruimte . De maan kromt de ruimte een
beetje, de aarde een beetje meer en de lOn n6g En omdat de dichtheid in het zwarte gat oneindig
meer. En hoe sterker de ruimte om een hemel- groot is (aile materie is tot een oneindig klein puntje
lichaam vervormd is, des te moeilijker is het om aan samengeperst) hebben we ook niks aan onze
zo'n hemellichaam te ontsnappen. Je moet als het natuurkundige theorieen. Die geld en namelijk niet
onder deze bijzondere omstandigheden.
war~ tegen een steeds steiler wordende helling
opklimmen . En daarbij maakt het niet uit of je een
deeltje (of een raket) bent of een foton (licht) .
De allersteilste hellingen in het heelal zijn die rond de
zwarte gaten . Zwarte gaten trekken de hun omringende ruimte z6 strak om zich heen, dat er een
soort bodemloze 'put' ontstaat. In het midden van
die 'put' zit de eigenlijke massa: de ingestorte ster.
En de hellingen om die ster heen zijn dermate steil,
dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen . (Het
woordje 'put' moet je hier niet te letterlijk nemen :
zie verderop.)
Aileen als je een beetje afstand tot zo'n zwart gat
houdt, ben je veilig. Op een bepaalde afstand van
het zwarte gat is de ontsnappingssnelheid namelijk
precies gelijk aan de lichtsnelheid. Bevind je je een
s~ukje verder van het zwarte gat, dan is de ontsnapplngssnelheid kleiner dan de lichtsnelheid. Maar als
je een stukje dichterbij komt, is de ontsnappingssnelheid grater dan de lichtsnelheid, en dan kom je
er nooit meer uit!
Het onveilige gebied rond een zwart gat (de ruimte
waarbinnen de ontsnappingssnelheid groter is dan
de lichtsnelheid) is bolvormig en wordt de horizon
genoemd. Van buitenaf kun je niet zien wat zich
voorbij die horizon afspeelt, net zo min als je vanaf
~et strand van Scheveningen de klok van de Big Ben
In Londen kunt zien. De sterrenkundige Karl
Schwarzschild heeft ooit berekend hoe groot zo'n
horizonbol is. De middellijn blijkt gelijk te. zijn aan
Gelukkig hebben zwarte gaten in-direct n6g een
eigenschap, waardoor we ze toch kunnen onderzoeken. Maar eerst willen we even een mis-verstand
uit de weg ruimen. Je leest vaak dat zwarte gaten
alles in hun omgeving opslokken . Als je dat lo leest,
dan lijkt het of een zwart gat een soort reusachtige
stofzuiger is. Maar dat is niet zo: een zwart gat van
een zonsmassa heeft net zo veel of zo weinig
aantrekkingskracht als onze zon. Ais onze zon
vandaag nog in een zwart gat zou veranderen, zou
dat aileen tot gevolg hebben dat hij geen licht meer
uitstraalt. Zijn zwaartekracht blijft net zo groot, en
de aarde lOU dus op dezelfde afstand rond de
voormalige zon blijven draaien.
Maar soms kan er toch materie naar een zwart gat
toe stromen. Bijvoorbeeld als het zwarte gat deel uitmaakt van een dubbelstersysteem, waarvan de beide
sterren oorspronkelijk heel dicht bij elkaar stonden.
Ais een van deze sterren als supernova ontploft en in
een zwart gat verandert, kan er een situatie ontstaan
waarbij materie van de andere ster in het zwarte gat
stroomt. En materie die naar het zwarte gat toe
stroomt, 'valt' als het ware met steeds grotere
wordende snelheid het gat in (zie plaatje bovenaan).
Dat 'vallen' gebeurt meestal niet in een rechte lijn.
De materie voigt een spiraalvormige baan, die hem
geleidelijk steeds dichter naar het zwarte gat toe
brengt. Om het zwarte gat heen ontstaat een schijf
van materie: de zogeheten accretieschijf die traag
UniVersum 3 - 1999
om het gat heen draait. Doordat de naar binnen
stromende materie steeds sneller gaat bewegen en
ook steeds meer wrijving van de andere materie
ondervindt, wordt hij heel heet. De materie in de
accretieschijf straalt hierdoor enorme hoeveelheden
licht en warmte, maar vooral ook rontgenstraling
uit. En deze rontgenstraling kunnen we, met behulp
van satellieten in de ruimte, waarnemen.
De eerste (waarschijnlijke) zwarte gaten konden ontmaskerd worden, doordat sterrenkundigen zagen
dat er objecten zijn die heel vee I rontgenstraling
uitzenden. Inmiddels zijn enkele van die 'stellaire'
zwarte gaten ontdekt; althans objecten die zo veel
rontgenstraling uitzenden dat er waarschijnlijk een
zwart gat in het spel is. Maar ook in de kernen van
sterrenstelsels zijn materieconcentraties aangetroffen, waarin vrijwel zeker zwarte gaten verborgen
zijn . Dat zijn echter geen ingestorte sterren: ze zijn
miljoenen, soms zelfs miljarden keren zo zwaar als
onze zon . Deze superzware zwarte gaten zijn
waarschijnlijk langzaam 'gegroeid', bijvoorbeeld
door heel geleidelijk (in de loop van honderden
miljoenen jaren) materie van andere sterren op te
nemen. De kern van zo'n sterrenstelsel met een centraal zwart gat zendt soms enorm veel straling uit,
en ook kunnen er grote stralen materie uit het
centrum wegspuiten .
naar voren in de richting van het zwarte gat
beweegt, zal de aantrekkingskracht op je voeten op
een gegeven moment flink groter zijn dan op je
hoofd. Je wordt bij nadering van de horizon als het
ware uitgerekt.
Het is alsof je met je hoofd aan de maan vastzit, terwijl ondertussen het gewicht van de aarde aan je
voeten bungelt. (De getijdenkrachten bij een
superzwaar zwart gat in een sterrenstelsel zijn overigens minder groot, omdat de horizon van deze
objecten vee I groter is. De horizon van zo ' n zwart
gat zou je dus wei van dichtbij kunnen bestuderen!)
Stel nu eens dat je een soort superastronaut bent,
die de getijdenkrachten van een zwart gat kan
doorstaan. Dan zou je iets bijzonders kunnen
waarnemen. In de buurt van een zwart gat is
namelijk niet aileen de ruimte gekromd, maar ook de
tijd! Anders gezegd : in de buurt van een zwart gat
loopt de tijd vee I langzamer dan elders in het heelal.
Zelf merk je daar helemaal niets van: je klokken
lopen langzamer, maar jijzelf Ge hartslag, de elektrische signalen in je hersenen, enz.) ook!
'echte'
tijd
1356.00
1356.20
~
Aaaahh!
1356.40
1356.60
1356.80
~~~~~~~
1357.00
Als je naar een zwart gat toe valt, wordt er veel harder aan je voeten getrokken,
dan aan je hoofd. Door deze getijdenkracht word je uitgerekt.
De onvoorzichtige astronaut
Terug naar de stellaire zwarte gaten . Want hoewel er
geen enkel zwart gat in de buurt van de aarde te vinden is, den ken natuur- en sterrenkundigen toch te
weten wat je te zien zou krijgen als je in de buurt van
zo'n merkwaardig hemellichaam zou komen .
Op grote afstand van een zwart gat is de ruimte net
zo veel of zo weinig gekromd als bij de zon . Je merkt
daar dan ook niet zo veel van een sterke
aantrekkingskracht. Maar stel nu eens dat je een
astronaut bent die met een raket naar het zwarte gat
toe beweegt. Ais je dichterbij komt, zul je steeds
sterkere
getijdenkrachten
ondervinden .
De
getijdenkracht is eigenlijk geen kracht, maar een
krachtsverschil. Ais je bijvoorbeeld met je voeten
1357.20
FilmA
t
~
t
t
r
f
Film B
t
I
t
t
sCh~nbare
ijd
7200.00
7200.20
7200.40
7200.60
7200.80
20000.00
~
Een astronaut die naar een zwart gat toe valt, stuurt
videobeelden van zichzelf naar een collega verderop. Links: het
'filmpje' zoals de astronaut dat zelf waarneemt; voor hem loopt
de tijd normaa!' Rechts: naarmate de astronaut de horizon van
het zwarte gat nadert, duurt het steeds langer voordat zijn collega een volgend beeldje ontvangt. Het laatste beeldje, dat bij
het passeren van de horizon is gemaakt, lijkt zelfs eeuwig stil te
staan en wordt na verloop van tijd aileen maar zwakker. (Uit:
Black Holes van i-Po Luminet)
Dat er iets raars aan de hand is, merk je pas als je
met collega's op grote afstand van het zwarte gat
gaat communiceren . Naarmate je dichterbij de horizon van het zwarte gat komt, verstrijkt jouw tijd
steeds trager. Je collega's zouden merken dat je
_ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ __ _.."........
_ """"'_),.'C~~~, ..
UniVersum 3 - 1999
zelfs die horizon kun je niet zien. Aileen als er
materie naar de horizon toe stroomt (vanuit zo'n
accretieschijf dus) kun je zien dat er 'iets' in het midden van de schijf zit waarin de materie verdwijnt.
Maar ook een 'naakt' zwart gat (een zwart gat zonder accretieschijf) verraadt zijn aanwezigheid. Licht
dat van sterren op de achtergrond afkomstig is,
wordt door de zwaartekracht van het zwarte gat
immers afgebogen. Hierdoor wordt de achtergrond
vervormd, ongeveer zoals bij een lachspiegel.
De kern van het sterrenstelsel NGC 7052 . Wat je hier ziet is
naar aile waarschijnlijkheid de accretieschijt rand een miljoenen
zonsmassa's zwaar zwart gat. Het zwarte gat zeit is natuurlijk
niet te zien: het zit verborgen in de heldere 'stip' in het midden
van de schijf. (Foto : Hubble Space Telescope)
steeds langzamer gaat praten en bewegen, en
omgekeerd zou )ij merken dat je collega's steeds
sneller worden.
Het zou trouwens steeds moeilijker worden om
radiosignalen uit te wisselen, want door de tijdrek
neemt ook de frequentie van de door jou uitgezonden signalen af; de signalen worden bovendien
ook steeds zwakker.
Ais je zo onvoorzichtig bent om de horizon te
passeren, zou dat helemaa I biza rre gevolgen
hebben. Je collega's zouden merken dat het steeds
langer duurt voordat ze weer iets van je horen. Je
signalen komen steeds later na elkaar binnen : vanaf
een gegeven moment lijkt er zelfs helemaal niets
meer te gebeuren. Terwijl jij de horizon van het
zwarte gat passeert, verloopt jouw tijd zo langzaam
dat het voor een buitenstaander lijkt alsof je stil komt
te staan.
Geen trechter!
Op afbeeldingen worden zwarte gaten vaak
voorgesteld als een soort trechters. Maar dat is
eigenlijk een beetje misleidend, want zo zul je een
zwart gat nooit zien . Eigenlijk is een zwart gat (of
beter gezegd: zijn horizon) gewoon bolvormig. En
Bijgaand plaatje van een Hollandse molen is
gemaakt door de Amerikaanse sterrenkundige Brian
McLeod. Links zie je de molen zoals deze er normaal
uitziet. Rechts dezelfde molen, maar ditmaal 'hangt'
er een zwart gat met de massa van Saturnus voor (de
horizon van zo'n 'klein' zwart gat is niet veel groter
dan een voetbal!) . Hoewel je het zwarte gat of zijn
horizon niet rechtstreeks kunt zien, is er wei duidelijk
iets aan de hand: het beeld van de molen is helemaal
vervormd.
Natuurlijk kun je niet zomaar ergens een zwart gat
voor een molen 'hangen'. Saturnus is bijna honderd
keer zo zwaar als de aarde, en als er echt een zwart
gat van die massa boven het aardoppervlak zou
zweven, zou alles in zijn omgeving door de
getijdenkrachten worden verpulverd.
Zwarte gaten zijndus niet zo onzichtbaar als hun
benaming suggereert. Ze verraden hun aanwezigheid op allerlei verschillende manieren, al was
het maar via hun zwaartekracht. Maar zullen we
zo'n zwart gat ooit van dichtbij zien? Het dichtstbijzijnde 'stellaire' zwarte gat is vrijwel zeker honderden lichtjaren van ons verwijderd. En het zwarte
gat in het centrum van ons Melkwegstelsel is nog
vee I verder weg. Het ziet er niet naar uit dat in de
nabije toekomst ook maar in de buurt van deze
objecten kunnen komen.
Dan rest aileen de mogelijkheid dat (zoals sommige
sterrenkundigen den ken) het heelal wemelt van de
kleine zwarte gaten. Deze zouden zijn ontstaan bij
de oerknal en allerlei massa's kunnen hebben . De
kans dat er zo'n miniatuur zwart gat op niet al te
grote afstand van de aarde te vinden is, is niet zo
groot. Maar wie weet, de wonderen zijn het heelal
nog niet uit. Een mooiere plek om je afval te
dumpen is nauwelijks denkbaar!
Een mooiere
plek am je
atval te
dumpen is
nauwelijks
denkbaar!
Dit zou je zien als er een zwart gat met
de massa van Saturnus voar een malen
zau hangen. De aantrekkingskracht van
het zwarte gat doet het licht van de
molen afbuigen, waardoor ~en sterk
vervormd beeld ontstaat. Het zwarte gat
zeit is niet te zien, maar de gevolgen van
zijn aanwezigheid wei! (Foto: Peter
Barthel/ Brian McCleod)
UniVersum 3 - 1999
7