Zwarte Gaten Uitgelegd: Hoe ze Ontstaan, Hoe ze Eruit Zien en het Bewijs dat ze Bestaan

Zwarte gaten zijn gebieden in de ruimte waar de zwaartekracht sterk genoeg is dat, voorbij een bepaalde grens, zelfs licht niet kan ontsnappen. Die grens heet de gebeurtenishorizon, en NASA beschrijft het als het punt waar de snelheid die nodig is om te ontsnappen de lichtsnelheid overschrijdt.

Hoe zwarte gaten ontstaan

De meest voorkomende manier is de dood van een massieve ster. Volgens NASA stort een ster met meer dan 20 zonnemmassa's die de kernbrandstof in zijn kern uitput, in elkaar onder zijn eigen gewicht. Zodra een ineenstortende kern ongeveer drie zonnemmassa's overschrijdt, kan geen bekende kracht het ineenstorten stoppen, en ontstaat er een zwart gat.

Supermassieve zwarte gaten, die in de centra van grote sterrenstelsels zitten en tussen de 100.000 en miljarden zonnemmassa's wegen, zijn moeilijker te verklaren door alleen stellaire instorting. NASA stelt dat de oorsprong van supermassieve zwarte gaten slecht wordt begrepen, hoewel bekend is dat ze sinds de vroegste dagen van het leven van een sterrenstelsel bestaan.

Zwarte gaten groeien ook na hun vorming, door omringende gas en stof aan te trekken via een proces dat accretie wordt genoemd, en door te fuseren met andere zwarte gaten.

De structuur van een zwart gat

NASA's beschrijving van de anatomie van een zwart gat somt verschillende afzonderlijke delen op. De singulariteit is het theoretische punt in het midden waar, volgens de algemene relativiteitstheorie, materie tot oneindige dichtheid wordt verpletterd. Het wordt omringd door de gebeurtenishorizon, het punt van geen terugkeer.

Verder naar buiten vormen invallende gas en stof een accretieschijf, een roterende structuur die wordt verwarmd terwijl deze naar binnen spiraleert, wat het een van de voornaamste manieren maakt om astronomen zwarte gaten helemaal te detecteren. Dicht bij het zwarte gat kan licht meerdere keren in een baan gaan voordat het ontsnapt, wat een dunne, vervormdere ring oplevert die bekend staat als de fotonsfer. Sommige zwarte gaten genereren ook een miljard-graden corona van deeltjes boven de schijf, en paren stralen die materie naar buiten afvuren met bijna de lichtsnelheid, waarbij stralen van supermassieve zwarte gaten zich uitstrekken over honderdduizenden lichtjaren, volgens NASA.

Soorten zwarte gaten

Astronomen groeperen zwarte gaten naar massa. Stellaire zwarte gaten variëren van ongeveer drie tot enkele tientallen zonnemmassa's en zijn verspreid over sterrenstelsels zoals de Melkweg. Supermassieve zwarte gaten verankeren de centra van grote sterrenstelsels en wegen van 100.000 tot miljarden zonnemmassa's; degene in het hart van de sterrenstelsel Messier 87 weegt meer dan 6 miljard zonnemmassa's, aldus NASA. Zwarte gaten met intermediaire massa, in het bereik van 100 tot meer dan 10.000 zonnemmassa's, hebben weinig bevestigde voorbeelden; NASA noemt het fusiegebeurtenis van 2019 GW190521, dat een zwart gat van 142 zonnemmassa's opleverde, het meest overtuigende voorbeeld van deze categorie tot nu toe.

Hoe wetenschappers hebben bewezen dat zwarte gaten echt zijn

Directe afbeeldingen van een zwart gat zijn in de normale zin onmogelijk, omdat geen licht ontsnapt uit het binnenste van de gebeurtenishorizon. In plaats daarvan zoeken onderzoekers naar indirecte effecten, en twee referentiepunten in het afgelopen decennium hebben zwarte gaten van een theoretische voorspelling in een waargenomen realiteit veranderd.

Het eerste kwam op 14 september 2015, toen de twin Advanced LIGO-detectoren in de Verenigde Staten een zwaartekrachtgolfsignaal oppikten, later genoemd GW150914, volgens het rapport van Physics World over de ontdekking. Het signaal kwam van twee zwarte gaten, met massa's van 36 en 29 keer de zon, die fuseerden tot één draaiend zwart gat van 62 zonnemmassa's ongeveer 1,3 miljard lichtjaar ver weg. Het verschil, gelijk aan 3 zonnemmassa's, was als zwaartekrachtgolven uitgestraald. De detectie werd gemeten met een statistische significantie boven 5,1 sigma en bevestigde onder meer dat zwaartekrachtgolven met de lichtsnelheid reizen, zoals voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie.

Het tweede referentiepunt kwam op 10 april 2019, toen de Event Horizon Telescope-samenwerking de eerste afbeelding van de silhouet van een zwart gat vrijgaf, volgens MIT News. Het doel was het supermassieve zwarte gat in het centrum van M87, 55 miljoen lichtjaar van de aarde, met een massa van 6,5 miljard zonnen en een gebeurtenishorizon van ongeveer 40 miljard kilometer breed. Acht grondgestelde radiotelescopen, van Hawaii en Arizona tot Mexico, Spanje, Chili en Antarctica, werkten samen als één virtueel instrument om de afbeelding vast te leggen, die een helder ring van gloeiend gas toonde dat een donkere centrale 'schaduw' omringt.

Volgens MIT News hebben meer dan 200 onderzoekers van 13 partnerinstellingen bijgedragen aan het resultaat van 2019, en de waargenomen schaduw kwam overeen met voorspellingen uit de algemene relativiteitstheorie.

Zwaartekrachteffecten op omringende ruimte

Dicht bij een zwart gat spiraleert invallende materie in de accretieschijf, die NASA beschrijft als een 'hete, heldere, snel draaiende schijf' – een van de voornaamste manieren waarop astronomen zwarte gaten detecteren hoewel het zwarte gat zelf geen licht uitzendt. Deze zelfde zwaartekrachteffecten buigen het pad van voorbijgaand licht, wat het gloeiende ring in de EHT-afbeeldingen produceert in plaats van een eenvoudige donkere cirkel.

Veelgestelde vragen