Een zwart gat is een ruimteregio waarin de zwaartekracht zo sterk is dat niets – niet eens licht – kan ontsnappen zodra het de waarnemingshorizon passeert. Astronomen kunnen zwarte gaten niet direct zien, dus leiden zij hun aanwezigheid af uit effecten op nabije materie, licht en ruimtetijd – via accretieschijven, omcirkelende sterren en golven genoemd zwaartekrachtgolven. Twee belangrijke waarnemingen – de LIGO-detectie van zwaartekrachtgolven in 2015 en de Event Horizon Telescope-afbeelding van M87 in 2019 – veranderden het concept van theorie naar direct bewijs.
Deze versie is een machinevertaling van het origineel (English). Lees het origineel
Zwarte gaten ontstaan op meer dan één manier, en astronomen sorteren hen in groottekarakteristieken op basis van massa in plaats van een enkele ontstorringsverhaal.
Hoe ontstaan zwarte gaten
De best begrepen route is stellaire dood. Volgens het NASA-project Imagine the Universe ontstaat een zwart gat met stellaire massa wanneer een massieve ster zijn kernbrandstof uitput en zijn kern onder zijn eigen zwaartekracht instort – een proces dat gepaard kan gaan met een supernovaexplosie. NASA stelt dat deze zwarte gaten met stellaire massa typisch massa's hebben van ongeveer 5 tot 20 keer die van de Zon en zijn verspreid door sterrenstelsels waar massieve sterren hebben geleefd en zijn gestorven.
Aan het andere uiteinde van de schaal bevinden zich supermasieve zwarte gaten, gevonden in het centrum van bijna elke grote galaxie, met massa's variërend van miljoenen tot miljarden keer de massa van de Zon, volgens NASA. Hoe deze reuzen precies ontstaan en groeien, wordt door NASA beschreven als een actief onderzoeksgebied, hoewel waarnemingen een correlatie tonen tussen de grootte van het centrale zwarte gat van een sterrenstelsel en de grootte van het sterrenstelsel zelf.
NASA beschrijft ook een voorgestelde tussenklasse, met massa's tussen het stellaire en supermasieve bereik. Het agentschap merkt op dat astronomen pas recent hebben begonnen mogelijke aanwijzingen voor tussenliggende massazwarte gaten te vinden, nadat veel eerdere kandidaten door andere fysische processen konden worden verklaard.
Hoe astronomen iets detecteren dat geen licht uitzendt
Een zwart gat zelf kan niet worden gezien omdat het geen eigen licht uitzendt. De NASA-pagina Imagine the Universe legt uit dat astronomen zich in plaats daarvan op indirecte detectie verlaten: zij zoeken naar gedrag in nabije objecten dat alleen kan worden verklaard door de aanwezigheid van een zeer grote, dichte, onzichtbare massa. Dit omvat materiaal dat wordt aangetrokken en verhit tot een gloeiende accretieschijf, of sterren die zichtbaar om een punt draaien waar geen ster te zien is.
Een manier om dit indirecte bewijs af te beelden is radio-interferometrie. Het Event Horizon Telescope (EHT) verbindt radiosterrenwachten over de hele wereld met behulp van een techniek die zeer lange baslijn-interferometrie (VLBI) wordt genoemd, wat, zoals uitgelegd door de natuurkundewebsite Einstein-Online, gelijktijdige waarnemingen van meerdere telescopen combineert tot gegevens gelijk aan één enkele telescoop ter grootte van de Aarde. Het zwarte gat verschijnt niet rechtstreeks; wat het EHT registreert, is radioemissie van heet, wervelend gas in de accretieschijf, met een donkere centrale regio – de schaduw van het zwarte gat – gecreëerd waar licht onder extreme zwaartekracht rond het object wordt gebogen.
De eerste afbeelding: M87
Op 10 april 2019 brachten de EHT-samenwerking de eerste op deze manier gebouwde afbeelding uit, die het supermasieve zwarte gat in het centrum van de sterrenstelsel M87 toont, gelegen op ongeveer 55 miljoen lichtjaar van de Aarde, volgens MIT News, dat verslag uitbracht over de release. MIT News meldde de massa van het object als ongeveer 6,5 miljard keer die van de Zon, waarbij de afgebeelde waarnemingshorizon iets minder dan 40 miljard kilometer doorsnee is. De observatiecampagne combineerde acht terrestrische radiosterrenwachten en betrokken meer dan 200 onderzoekers wereldwijd.
Naar zwarte gaten luisteren: zwaartekrachtgolven
Een aparte detectiemethode gebruikt helemaal geen licht. Op 14 september 2015, om 5:51 uur EDT, bereikte het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) de eerste rechtstreekse detectie van zwaartekrachtgolven – rimpels in ruimtetijd voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie – volgens MIT News. Het signaal kwam van twee zwarte gaten, elk ongeveer 30 keer de massa van de Zon, die zich ongeveer 1,3 miljard lichtjaar verwijderd fuseerden. De botsing zette energie equivalent aan ongeveer drie zonmassa's om in zwaartekrachtgolven, volgens het MIT-rapport, en straalde kortstondig meer vermogen uit dan alle licht in het zichtbare universum. LIGOs dubbele 4-kilometer lasersensoren in Louisiana en Washington State maten een verandering in armlengten kleiner dan één tienduizendste van de diameter van een proton om het signaal op te pikken.
LIGO werd vervolgens vergezeld door de Virgo-detector in Italië en KAGRA in Japan om de LIGO-Virgo-KAGRA-samenwerking (LVK) te vormen, die Caltech meldt ongeveer 300 zwarte-gatfusies sinds 2015 heeft opgenomen, inclusief meer dan 200 alleen tijdens hun vierde observatierun. In november 2023 observeerde de samenwerking de fusie van de tot dusverre meest massieve zwarte gaten opgenomen door zwaartekrachtgolven, een gebeurtenis aangeduid als GW231123, met objecten van ongeveer 100 en 140 zonmassa's die fuseerden tot een zwart gat van ongeveer 225 zonmassa's, rapporteerde Caltech.
Belangrijkste feiten in een oogopslag
Zwarte-gatklassen en hoe ze werden gedetecteerd
Klasse / Gebeurtenis
Massa (zonmassa's)
Detectiemethode
Zwart gat met stellaire massa
~5–20
Indirect: effecten op omcirkelende materie/sterren (NASA)
Tussenliggende massa (voorgesteld)
Niet nauwkeurig door NASA gedefinieerd; weinig bevestigde kandidaten
Indirect, beperkt bevestigde kandidaten (NASA)
Supermasief zwart gat
Miljoenen tot miljarden
Indirect; direct afgebeeld alleen voor M87* en Sagittarius A* (NASA/EHT)
Zwarte gaten van deze massa zijn verboden door standaard-stellaire evolutiemodellen.
— Mark Hannam, Universiteit Cardiff, geciteerd door Caltech over de GW231123-fusie
Samen bieden de twee methoden – het afbeelden van het gloeinde materiaal rond een zwart gat met radio-interferometrie en het luisteren naar de zwaartekrachtgolf-'cicade' van twee zwarte gaten die spiraalvormig samen bewegen – astronomen onafhankelijke, elkaar aanvullende manieren om te bevestigen dat een object een zwart gat is en om zijn massa te meten, zelfs hoewel het zwarte gat zelf nooit iets uitzendt dat rechtstreeks zichtbaar kan zijn.
Vragen
Kunnen we ooit daadwerkelijk een zwart gat zien?
Nee – een zwart gat zelf zendt geen licht uit. Wat telescopen als het Event Horizon Telescope opnemen, is radioemissie van het hete gas dat ertrondwervelt (de accretieschijf), met een donkere 'schaduw' waar het zwarte gat licht blokkeert en buigt, volgens Einstein-Online en NASA.
Hoe ontstaan zwarte gaten?
Zwarte gaten met stellaire massa ontstaan wanneer een massieve ster zijn brandstof uitput en zijn kern ineenstort, soms in een supernova, volgens NASA. Hoe supermasieve zwarte gaten in sterrenstelselcentra ontstaan, is nog steeds een actief onderzoeksgebied, stelt NASA.
Wat was de eerste directe afbeelding van een zwart gat?
Op 10 april 2019 bracht de Event Horizon Telescope-samenwerking een afbeelding uit van het supermasieve zwarte gat in sterrenstelsel M87, ongeveer 55 miljoen lichtjaar verwijderd, opgebouwd uit radiogegevens verzameld door acht observatoria, zoals gemeld door MIT News.
Wat zijn zwaartekrachtgolven en hoe verhouden zij zich tot zwarte gaten?
Zwaartekrachtgolven zijn rimpels in ruimtetijd voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie; LIGO bereikte de eerste directe detectie op 14 september 2015 van twee fuserende zwarte gaten elk ongeveer 30 zonmassa's, gelegen ongeveer 1,3 miljard lichtjaar verwijderd, volgens MIT News.
Hoe massief kunnen zwarte gaten worden?
Zwarte gaten met stellaire massa zijn typisch 5–20 keer de massa van de Zon (NASA), terwijl supermasieve zwarte gaten variëren van miljoenen tot miljarden zonmassa's; het in 2019 afgebeelde zwarte gat in M87 heeft een massa van ongeveer 6,5 miljard Zonnen, volgens MIT News.
Dit stuk is gemaakt met kunstmatige intelligentie en vóór publicatie automatisch op bronnen gecontroleerd. Ziet u een fout, vraag dan om een correctie. Correctie of weerwoord aanvragen · Hoe we dit maken
Sterren ontstaan wanneer zwaartekracht koude wolken van gas en stof samenpakt totdat een kern ongeveer 10 miljoen Kelvin bereikt, heet genoeg om waterstoffusie te ontsteken. Vanaf daar bepaalt de massa van een ster alles anders: hoe lang het schijnt, hoe het sterft en of het een witte dwerg, een neutronenster of een zwart gat achterlaat.
Raketten bewegen zich door uitlaatgassen in één richting uit te stooten, zodat het voertuig in de andere richting wordt geduwd, volgens Newtons derde bewegingswet. Stuwkracht hangt af van hoeveel uitlaatgasmassa per seconde uitstroomt en hoe snel deze de mondstuk verlaat, terwijl het in een baan blijven ervan afhangt dat de voorwaartse snelheid tegen de zwaartekracht wordt afgewogen. Meerstapige ontwerpen en voor sommige missies elektrische voortstuwing worden gebruikt om de enorme hoeveelheid brandstof te beheren die ruimtevaartuigen vereist.
Astronautentraining is een proces van meerdere jaren dat begint met een selectiescreening voor onderwijs, ervaring en fysieke fitheid, en dan verloopt in jaren grondtraining voordat een vlucht plaatsvindt. Volgens NASA en het Europees Ruimtevaartagentschap (ESA) leren kandidaten ruimtevaartuigsystemen en oefenen ze buitenactiviteiten onder water, en ESA-kandidaten studeren ook Russisch, terwijl het leven aan boord van het Internationaal Ruimtestation (ISS) volgens een vast dagschema verloopt met werk, oefening en slaap.
Een zwart gat is een gebied in de ruimte waar de zwaartekracht zo sterk is dat niets, niet eens licht, kan ontsnappen zodra het de waarnemingshorizon passeert. De meeste ontstaan wanneer een massieve ster uit kernbrandstof raakt en zijn kern instort; superzware versies groeien over miljarden jaren in de centra van sterrenstelsels. Directe beelden en detecties van zwaartekrachtgolven hebben hun bestaan bevestigd en Einsteins algemene relativiteitstheorie getest.
