Objecten

Wat zijn zwarte gaten?

Zwarte gaten behoren tot de vreemdste en meest fascinerende objecten in het heelal. Het zijn objecten met een extreem hoge dichtheid waarvan de aantrekkingskracht zó sterk is dat zelfs licht niet kan ontsnappen als het te dicht in de buurt komt. Er zijn een aantal verschillende soorten zwarte gaten te onderscheiden.

Stellaire zwarte gaten

Een ster die aan het eind van zijn leven door zijn nucleaire brandstof heen is zal ineenstorten. Kleinere sterren met een massa tot drie zonsmassa’s vormen een neutronenster of een witte dwerg. Als een grote, zware ster ineenstort zal er een stellair zwart gat over blijven.

Artist impression van een stellair zwart gat
Artist impression van een stellair zwart gat

Zwarte gaten die ontstaan door het ineenstorten van een individuele ster zijn kleiner maar hebben een hele hoge dichtheid. Dergelijke objecten hebben een massa van drie zonsmassa’s of meer samengepakt in een bol met een doorsnede van een flinke stad. Dit levert een enorme aantrekkingskracht op die alle voorwerpen die in de buurt komen zal aantrekken. Deze zwarte gaten slurpen alle stof en gas op uit de omgeving op zo in grootte toe te nemen.

Supermassieve zwarte gaten

Kleine zwarte gaten bevolken het hele universum maar supermassieve zwarte gaten domineren. Supermassieve zwarte gaten zijn miljoenen tot miljarden keren massiever dan onze Zon maar hebben een doorsnede die gelijk is aan de Zon. Men denkt dat dergelijke zwarte gaten voorkomen in de kern van nagenoeg ieder sterrenstelsel inclusief het onze.

Opname van het centrum van ons sterrenstelsel. Uit de bewegingen van de sterren leidt men af dat er een supermassief zwart gat aanwezig moet zijn.
Opname van het centrum van ons sterrenstelsel. Uit de bewegingen van de sterren leidt men af dat er een supermassief zwart gat aanwezig moet zijn.

Wetenschappers weten nog niet precies hoe dergelijke grote zwarte gaten worden gevormd. Maar als ze eenmaal zijn gevormd dat kunnen ze gemakkelijk groeien door stof en gas om hen heen verzamelen want dat is materie die meer dan voldoende voorkomt in het centrum van sterrenstelsels.

Supermassieve zware gaten zouden het resultaat kunnen zijn van het samensmelten van honderden of duizenden kleine zwarte gaten. Ook grote gaswolken zouden verantwoordelijk kunnen zijn doordat ze zijn ingestort en snel massa hebben hebben aangetrokken. Een derde optie is het instorten van een cluster van sterren.

Middelzware zwarte gaten

Wetenschappers dachten oorspronkelijk dat zwarte gaten alleen heel klein of heel groot kunnen zijn maar recent onderzoek heeft aangetoond dat er ook middelgrote zwarte gaten kunnen bestaan. Dergelijke objecten ontstaan als sterren in een groep in een kettingreactie met elkaar botsen. Verschillende van deze middelzware zwarte gaten die in hetzelfde gebied ontstaan zouden uiteindelijk samen in het centrum van een sterrenstelsel kunnen  vallen en daar een superzwaar zwart gat kunnen vormen.

In 2014 vonden astronomen wat leek een middelzwaar zwart gat te zijn in de arm van een spiraalvormig sterrenstelsel en in 2021 gebruikten astronomen een oude uitbarsting van gammastraling om er eentje te vinden.

Astronomen hebben hard gezocht naar deze middelzware zwarte gaten. Er zijn aanwijzingen dat ze bestaan maar ze gedragen zich als een lang-verloren familielid dat niet gevonden wil worden.

Nieuwer onderzoek, uit 2018, suggereerde dat middelzware zwarte gaten mogelijk zouden voorkomen in het hart van dwergsterrenstelsels (of erg kleine sterrenstelsels). Waarnemingen van 10 van dergelijke stelsels (waarvan er vijf voorheen onbekend waren) toonden activiteit op röntgengolflengtes aan, algemeen voor zwarte gaten, wat wijst op de aanwezigheid van zwarte gaten met een massa van 36.000 tot 316.000 zonsmassa. Deze informatie is afkomstig van de Sloan Digital Sky Survey die ongeveer 1 miljoen sterrenstelsels onderzoekt en die het licht kan waarnemen dat van zwarte gaten afkomstig is die nabije puin opslokken.

Opname van actieve stervorming in M82. De opname is gemaakt door de Chandra röntgentelescoop. De heldere punten in de uitsnede zijn vermoedelijk zwarte gaten van gemiddelde grootte
Opname van actieve stervorming in M82. De opname is gemaakt door de Chandra röntgentelescoop. De heldere punten in de uitsnede zijn vermoedelijk zwarte gaten van gemiddelde grootte

Hoe zien zwarte gaten eruit?

Zwarte gaten hebben drie “lagen”: de buitenste en de binnenste waarneemhorizon en de singulariteit.

De waarneemhorizon van een  zwart gat is de grens rond de opening van een zwart gat van waar voorbij licht niet meer kan ontsnappen. Als een deeltje eenmaal voorbij de waarneemhorizon is kan het niet meer weg. De zwaartekracht is langs de waarneemhorizon constant.

Het binnenste gebied van een zwart gat, waar de massa van het object zich bevindt, noemen we de singulariteit, het enkele punt in de ruimtetijd waar de massa van het zwarte gat is geconcentreerd.

Wetenschappers kunnen zwarte gaten niet op dezelfde manier zien als sterren en andere objecten in het heelal. In plaats daarvan moeten astronomen vertrouwen op de straling van zwarte gaten die ontstaat als gas en stof worden aangetrokken. Maar superzware zwarte gaten die in kernen van een sterrenstelsel liggen kunnen onzichtbaar zijn door de dikke wolken van gas en stof om hen heen en die houden de typische herkenbare straling tegen.

Soms, als materie naar een zwart gat wordt getrokken, ketst het af van de waarneemhorizon en wordt het naar buiten geslingerd in plaats van naar het zwarte gat toe te worden getrokken. Er ontstaan dan heldere stralen van materiaal die met bijna relativistische snelheden reizen. Hoewel het zwarte gat onzichtbaar blijft kunnen deze krachtige jets van grote afstand worden bekeken.

De opname door de Event Horizon Telescope van een zwart gat in Messier 87 (in 2019 gepubliceerd) was een buitengewone inspanning waarvoor twee jaar onderzoek nodig was, zelfs nadat de foto’s genomen waren. Dat komt omdat de samenwerkende telescopen, die zich over de gehele wereld bevonden, een enorme hoeveelheid gegevens opleverden die te groot waren om via internet te verspreiden.

Na  verloop van tijd verwachten onderzoekers andere zwarte gaten in beeld te brengen en een database te bouwen van hoe deze objecten eruit zien. Het volgende doel is waarschijnlijk Sagittarius A*, het zwarte gat in het centrum van ons eigen sterrenstelsel. Sagittarius A* is interessant omdat het stiller is dan verwacht en dat is mogelijk te wijten aan magnetische velden die zijn activiteit afremmen, aldus een onderzoek uit 2019. Een ander onderzoek dat jaar toonde aan dat Sagittarius A* door een halo van koel gas wordt omringd, wat een ongekend inzicht geeft in hoe de omgeving rond een zwart gat eruit ziet.

Opname zwar gat in M87 door de Event Horizon Telescope
De Event Horizon Telescope, een planeetomspannende radiotelescoop bestaande uit 8 internationale observatoria, maakte deze opname van het superzware zwarte gat en zijn schaduw in het centrum van het sterrenstelsel Messier 87. Credit: EHT Collaboration

Binaire zwarte gaten

In 2015 hebben astronomen met behulp van het Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) zwaartekrachtsgolven van samensmeltende zwarte gaten gedetecteerd. Hiermee werd het bestaan van zwarte gaten met een stellaire massa van meer dan 20 zonsmassa bevestigd. Astronomen wisten voordat LIGO ontdekte, niet af van het bestaan van dergelijke objecten. De waarnemingen van LIGO geven ook inzicht in de richting waarin een zwart gat draait. Als twee zwarte gaten om elkaar heen draaien kunnen ze in dezelfde richting of in tegenovergestelde richting draaien.

Er zijn twee theorieën over hoe binaire zwarte gaten ontstaan. De eerste suggereert dat de twee zwarte gaten op ongeveer hetzelfde moment uit twee sterren ontstaan die samen zijn geboren en die op dezelfde tijd met een krachtige explosie aan hun einde zijn gekomen. De begeleidende sterren zouden dezelfde rotatierichting hebben gehad dus de twee achtergebleven zwarte gaten ook.

In het tweede model zinken zwarte gaten in een stercluster naar het midden van de groep en vormen ze daar paren. Deze begeleiders zouden een willekeurige rotatierichting ten opzichte van elkaars kunnen hennen. De waarnemingen van LIGO van binaire zwarte gaten met verschillende rotatierichtingen wijzen meer op deze theorie.

Astronomen beginnen nu echte statistieken over binaire zwarte gaten te verzamelen en dat is interessant omdat sommige modellen over het binaire ontstaan van zwarte gaten zelfs nu enigszins de voorkeur hebben boven de andere en in de toekomst kan men dit dus gaan verfijnen.

Vreemde feiten over zwarte gaten

Lange tijd werd gesuggereerd dat als je in een zwart gat valt je als spaghetti uit elkaar wordt getrokken (geen paniek je bent al lang dood voor je de singulariteit bereikt). Een onderzoek uit 2012, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, zegt dat kwantumeffecten er voor zorgen dat de waarneemhorizon fungeert als een muur van vuur en in dat geval zou je onmiddellijk volledig verbranden.

Zwarte gaten zuigen niet. Zuiging wordt veroorzaakt door iets in een vacuüm te trekken en dat is een zwart gat zeker niet. In plaats daarvan vallen objecten erin, net zoals ze vallen in de richting van iets dat zwaartekracht uitoefent, zoals bijvoorbeeld de Aarde.

Het eerste object waarvan men vermoedde dat het een zwart gat zou zijn is de röntgenbron Cygnus X-1. Dit object was in 1974 het onderwerp van de vriendelijke weddenschap tussen Stephen Hawking en de natuurkundige Kip Thorne. Hawking wedde dat de bron geen zwart gat zou zijn. In 1990 erkende Hawking zijn verlies.

Onmiddellijk na de Oerknal ontstonden er miniatuur zwarte gaten.  De snel uitdijende ruimte heeft mogelijk sommige gebieden samengeperst tot kleine, compacte zwarte gaten met een massa minder dan de Zon.

Als een ster een zwart gat passeert dan wordt die ster uit elkaar getrokken.

Astronomen schatten dat ons sterrenstelsel ongeveer 10 miljoen tot wel 1 miljard stellaire zwarte gaten bevat die een massa hebben van ongeveer drie zonsmassa.

Eerste publicatie: 12 augustus 2013
Laatste keer bewerkt op: 18 maart 2022
Bron: space.com & anderen