Wat is de waarnemingshorizon van een zwart gat?

De waarneemhorizon bij een zwart gat
Deze afbeelding is gemaakt met een supercomputer en laat zien hoe positronen zich in de buurt van de waarnemingshorizon van een ronddraaiend zwart gat gedragen. Credit:  Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab

Onlangs publiceerde het team van de International Event Horizon Telescope de eerste echte foto van een zwart gat. Event Horizon is de Engelse term voor waarnemingshorizon. Maar wat is dat nu precies?

Waarnemingshorizon

De waarnemingshorizon van een zwart gat is gekoppeld aan de ontsnappingssnelheid van het object. De ontsnappingssnelheid is de snelheid die nodig is om aan de aantrekkingskracht van het zwarte gat te ontsnappen. Hoe dichter iemand bij een zwart gat komt hoe groter de snelheid moet zijn om aan dit zwarte gat te ontsnappen. De waarnemingshorizon rond een zwart gat vormt de grens waar de ontsnappingssnelheid groter wordt dan de lichtsnelheid.

Volgens de speciale relativiteitstheorie van Albert Einstein is sneller reizen dan het licht onmogelijk. Dit betekent dat de waarnemingshorizon van een zwart gat het punt is van waaruit niets meer kan terugkeren. De naam verwijst naar de onmogelijkheid om dingen te zien die voorbij die grens plaatsvinden. We kunnen dus niet verder kijken dan die horizon.

De waarnemingshorizon is de ultieme gevangenismuur: je kan er in maar je kan er nooit meer uit.

Als een voorwerp in de buurt van de waarnemingshorizon komt dan wordt de kleur van dat voorwerp steeds roder en zwakker. Dit komt doordat de zwaartekracht het licht dat van dat voorwerp afkomt, vervormt. Op de waarnemingshorizon wordt het beeld van het voorwerp onzichtbaar.

Binnen in de waarnemingshorizon bevindt zich de singulariteit van het zwarte gat. Dit is de plek waarvan men denkt dat alle massa van het object ineen is gestort tot een oneindig zware en compacte punt. Dit betekent dat de ruimte-tijd rond de singulariteit ook oneindig is gekromd. Hier gelden de natuurkundige wetten die we kennen niet meer.

De waarnemingshorizon zorgt er voor dat we de onbekende natuurkunde in de buurt van de singulariteit niet kunnen bestuderen.

Grootte zwart gat

De grootte van een waarnemingshorizon is afhankelijk van de massa van het zwarte gat. Als we de Aarde zouden kunnen samenpersen tot een zwart gat dan zou dit gat een grootte hebben van slechts 17,4 millimeter. Als we de Zon samenpersen tot een zwart gat dan is dit zwarte gat 5,84 kilometer groot. De Event Horizon Telescope onderzoekt zwarte gaten die veel groter zijn. Sagittarius A* is het zwarte gat in het centrum van ons sterrenstelsel. Dit zwarte gat heeft een massa van ongeveer 4,3 miljoen zonsmassa en een diameter van ongeveer 12,7 miljoen kilometer. Het zwarte gat in het centrum van Messier 87 is nog veel groter. Dit zwarte gat heeft een massa van ongeveer 6 miljard zonsmassa en een doorsnede van 17,7 miljard kilometer.

De sterkte van de aantrekkingskracht van een zwart gat is afhankelijk van hoe ver je er van bent verwijderd. Hoe dichter bij hoe sterker die aantrekkingskracht zal zijn. Maar de effecten van die zwaartekracht op een bezoeker zijn ook afhankelijk van de massa van het zwarte gat. Als je naar een betrekkelijk klein zwart gat toevalt, eentje met een massa van enkele zonsmassa’s, dan word je uit elkaar getrokken en uitgestrekt in een proces dat “spaghettification” wordt genoemd. Je bent dan al ruim voor je de waarnemingshorizon bereikt dood.

Val je naar een supermassief zwart gat toe dat een massa van enkele miljarden zonsmassa heeft dan voel je deze krachten veel minder sterk. Je overlijdt niet aan de “spaghettification” voor je de waarnemingshorizon passeert (maar er zijn wel nog andere gevaren rond een dergelijk zwart gat die er voor kunnen zorgen dat je overlijdt voor je dat punt bereikt hebt).

Zwarte gaten draaien rond en dat doen ze omdat de sterren waaruit ze zijn ontstaan ook ronddraaiden. Ze draaien ook rond omdat de materie die ze opslokken er naar toe spiraliseert. Recent onderzoek suggereert dat zwarte gaten met een snelheid van meer dan 90% van de lichtsnelheid kunnen ronddraaien.

Modellen

Voorheen gingen de meeste modellen van zwarte gaten er van uit dat ze niet ronddraaiden en hun singulariteit werd ook als een puntbron beschouwd. Maar omdat zwarte gaten in het algemeen ronddraaien zeggen huidige modellen dat hun singulariteiten oneindig dunne ringen zijn. Dit zorgt er voor dat de waarnemingshorizon van draaiende zwarte gaten, de zogenaamde Kerr zwarte gaten, een uitgerekte vorm hebben. Ze zijn samengeperst aan de polen en rond de evenaar puilen ze uit.

Een waarnemingshorizon van een ronddraaiend zwart gat heeft een buitenste en een binnenste horizon. De buitenste waarnemingshorizon van een dergelijk object fungeert als het punt van waar geen terugkeer meer mogelijk is. Net zoals de waarnemingshorizon van een niet-draaiend zwart gat. De binnenste waarnemingshorizon van een zwart gat, dat ook bekend is als de Cauchy horizon, is veel vreemder. Voorbij die grens gaat oorzaak niet noodzakelijkerwijs vooraf aan effect en bepaalt het verleden niet noodzakelijkerwijs de toekomst en is het in theorie dus mogelijk om aan tijdreizen te doen. In een niet-draaiend zwart gat, ook bekend als een Schwarzschild zwart gat, vallen de binnenste en de buitenste waarnemingshorizonnen samen.

In een ronddraaiend zwart gat wordt de ruimte-tijd ook gedwongen rond te draaien, dit fenomeen noemen we “frame dragging” oftewel het Lense-Thirring effect. Frame dragging zien we ook bij andere ronddraaiende zware objecten zoals onze eigen planeet.

Ergosfeer

Frame dragging zorgt voor een kosmische werveling, de ergosfeer. Die ergosfeer bevindt zich buiten de draaiende buitenste waarnemingshorizon van een zwart gat. Een object dat zich in de ergosfeer bevindt draait gedwongen in dezelfde richting rond als het zwarte gat. Materie die in de ergosfeer valt kan genoeg snelheid krijgen om weer aan de aantrekkingskracht van het zwarte gat te ontsnappen. Hierbij kan wat energie van het zwarte gat worden meegenomen. Op deze manier kunnen zwarte gaten een grote invloed uitoefenen op hun omgeving.

Ronddraaiende zwarte gaten kunnen ook veel effectiever materie die erin valt omzetten naar energie Een niet-draaiend zwart gat zal, volgens E=m*c2 van Einstein, slechts 5,7% van alle invallende materie omzetten naar energie. Een ronddraaiend zwart gat kan tot wel 42% van de massa omzetten naar energie.

Dit heeft verstrekkende gevolgen voor de omgeving rond zwarte gaten. De hoeveelheid energie van supermassieve zwarte gaten die zich in het centrum van nagenoeg alle grote sterrenstelsels bevinden kunnen de evolutie van die sterrenstelsels stevig beïnvloeden.

Recent onderzoek heeft onze oorspronkelijke kijk op zwarte gaten behoorlijk op zijn kop gezet. In 2012 suggereerden onderzoekers dat alles wat naar een zwart gat toe valt met “firewalls” te maken zou krijgen als het in de buurt of aan de waarnemingshorizon komt. Hierdoor zou alle materie verbranden. Dit komt doordat deeltjes botsen en onzichtbaar met elkaar verbonden kunnen worden. Dit wordt “entanglement” genoemd. Omdat zwarte gaten deze verbindingen kunnen kraken komen er enorme hoeveelheden energie vrij.

Kwantummechanica

Er is echter ook ander onderzoek dat probeert om de algemene relativiteit te verenigen met kwantummechanica. De algemene relativiteit verklaart de herkomst van de zwaartekracht en de kwantummechanica kan het gedrag van alle deeltjes beschrijven. Hierbij bestaan deze “firewalls” niet en dat komt omdat in deze theorieën de waarnemingshorizon ook niet bestaat. Er zijn natuurkundigen die zeggen dat er in plaats van dieptes waar niets uit kan terugkeren we zwarte gaten moeten beschouwen als een hele serie van zwarte gaten-achtige objecten die geen waarnemingshorizon hebben. Dergelijke objecten worden “fuzzballs” genoemd.

Door de randen van zwarte gaten vast te leggen kan de Event Horizon Telescope wetenschappers helpen bij het analyseren van de vorm en het gedrag van de waarnemingshorizon van een zwart gat.

Deze afbeeldingen kunnen worden gebruikt om theorieën over de structuur van zwarte gaten te testen. Het hele “fuzzball”-verhaal, waarbij de waarnemingshorizon geen scherp gedefinieerde grens is, is nogal wazig. Maar deze theorie kan aan de hand van afbeeldingen die met de Event Horizon Telescope worden verkregen, worden getest.

 

Eerste publicatie: 29 mei 2019
Bron: space.com & anderen




%d bloggers liken dit: