Een zwart gat is een gebied van ruimte-tijd waaruit niets kan ontsnappen, zelfs licht kan er niet uit ontsnappen. Aangezien een lichaam in een kleiner en kleiner volume wordt verpletterd, worden de gravitatiekrachten, en de vluchtsnelheid groter. Uiteindelijk wordt een punt bereikt waarbij zelfs licht, dat bij 300 000 kilometer per seconde (186 duizend mijlen per seconde) reist, niet snel genoeg meer is om te ontsnappen. Op dit punt kan niets meer ontsnappen aangezien niets sneller dan licht kan reizen. Dit is uiteindelijk een zwart gat.
Waar komt de term zwart gat vandaan?
De naam is eind jaren '60 bedacht door John Wheeler. Als de brandstof van een zware ster opraakt, kan deze de druk van de zwaartekracht niet langer weerstaan. De kern implodeert en laat een leeg stuk ruimte achter, vandaar de benaming 'gat'. Doordat het licht van een krimpende ster door de tijdvertraging (zwaartekracht vertraagt de tijd!) steeds langzamer gaat trillen, wordt zijn frequentie steeds lager. Dit geeft een rode kleur, totdat de ster uiteindelijk uitdooft als de houtskool van een dovend haardvuur. Vandaar de benaming 'zwart'.
Hoe ontstaan zwarte gaten?
Een zwart gat ontstaat dus wanneer een zware ster zonder brandstof komt te zitten. Maar wat gebeurt er nu precies…Laten we aannemen dat een ster een volmaakt sferische bol is. Stel dat deze steeds verder krimpt, terwijl de hoeveelheid materie behouden blijft. Bij het kleiner worden van de bol wordt de zwaartekracht aan het oppervlak steeds groter. Op een gegeven moment wordt de zwaartekracht zo groot, dat geen enkele soort materie haar nog kan weerstaan. De bol zal dus verder samentrekken, en omdat het een volmaakte bol is, blijft die al die tijd bolvormig. Met andere woorden: alle materie beweegt in de richting van het geometrische centrum van de bol. Dit proces komt tot een einde wanneer de voormalige ster is samengetrokken tot 1 enkel punt. Omdat een punt oneindig kleine afmetingen heeft, heeft de materie op dat moment een oneindige dichtheid. De zwaartekracht zal in de punt dus oneindig groot zijn. Zo’n object wordt een singulariteit genoemd.
Eigenschappen van een zwart gat
De zwaartekracht vertraagd, hoe groter de zwaartekracht hoe groter de tijdvertraging. Dat heeft natuurlijk gevolgen. Hoe kleiner de bol wordt wanneer hij samentrekt, hoe groter de tijdsvertraging. Zodra de bol een kritische grens bereikt heeft, wordt de tijdvertraging oneindig groot. (bij een bol van 1 zonmassa ligt deze grens bij een straal van drie kilometer) Wanneer je de ster dan van de aarde zou waarnemen, zou je merken dat de tijd daar stilstaat.
Waarneming van het proces
Het imploderen van de ster lijkt nogal traag te verlopen. In werkelijkheid duurt dit proces (voor een object van 1 zonmassa) slechts enkele honderdsten van een milliseconde.
- Iemand die het proces vanaf de aarde zou waarnemen, zou de ster zien instorten en aan die kritische grens zien ‘bevriezen’.
- Iemand die het proces zou waarnemen van op de ster zelf, zou de hele ster in een oogwenk zien verdwijnen.
Bestaan zwarte gaten werkelijk?
Het is onmogelijk om een zwart gat direct te zien omdat er geen licht kan ontsnappen, zij zijn zwart. Maar er zijn goede redenen om te denken dat zij bestaan. Wanneer een grote ster al zijn brandstof heeft verbrand explodeert het in een supernova. Deze kan in een neutronenster veranderen. Wij weten dat deze voorwerpen bestaan omdat er al verscheidene gevonden zijn door de radiotelescopen. Als de neutronenster te groot is, overweldigen de gravitatiekrachten de drukgradiënten en de instorting kan niet worden tegengegaan. De neutronenster blijft krimpen tot het definitief een zwart gat wordt. Deze massagrens is slechts een paar zonnemassa's. Onze zon kan geen zwart gat worden omdat deze niet bijzonder groot is, in feite is het vrij klein. Een supernova komt in onze melkweg zowat om de 300 jaar voor, en in naburige sterrenstelsels werden al voor ongeveer 500 neutronensterren gevonden. Daarom zijn wij vrij zeker dat er ook sommige zwarte gaten zou moeten zijn.
Zwarte gaten, het definitieve einde?
Zwarte gaten zijn voorspeld door de algemene relativiteit. Volgens de klassieke algemene relativiteitstheorie kan massa noch informatie van het binnenste van een zwart gat een waarnemer erbuiten bereiken. Als men bijvoorbeeld een zaklamp op het gat richt, zal men geen reflectie zien, omdat het licht van die reflectie niet kan ontsnappen uit het gat. Quantummechanische effecten zouden toch toelaten dat materie en energie ontsnapt uit het zwarte gat, maar in zeer kleine hoeveelheden (slechts een paar atomen per keer).
Geboorte van een zwart gat
De satelliet Swift heeft voor het eerst een gammaflits gedetecteerd in mei 2005 die 50 milliseconden duurde. Door deze flits is voor de eerste maal de geboorte van een zwart gat gezien. De flits is waargenomen in een sterrenstelsel vol oude sterren dat op 2.7 miljard jaar van ons ligt. Gammaflitsen zijn de meest krachtige uitbarstingen die momenteel in het universum gekend zijn. Swift is speciaal gebouwd voor het detecteren en localiseren van zulke flitsen. De satelliet heeft na het detecteren als zijn telescopen op het gebied gericht om de nagloed van de gammaflits te bestuderen, dewelke de naam GRB050509B meekreeg. De nagloed kan ons veel vertellen over de oorzaak van de flits. Een lange nagloed betekent meestal dat er een massieve ster ontploft is in een verafgelegen sterrenstelsel terwijl een korte nagloed ons maar weinig info kan verschaffen omdat ze te kortdurend is. Maar men gaat ervan uit dat kortdurende gammaflitsen voortkomen uit botsingen tussen neutronensterren onderling of in combinatie met een bestaand zwart gat.
