Zwarte gaten uitgelegd: Hoe ze ontstaan, werken en eindelijk zijn gefotografeerd

Een zwart gat wordt door NASA gedefinieerd als een astronomisch object met zo'n sterke zwaartekrachtaantrekking dat niets, inclusief licht, eraan kan ontsnappen. Het punt zonder terugkeer rond een zwart gat wordt de waarnemingshorizon genoemd: buiten die grens overschrijdt de snelheid die nodig is om te ontsnappen de lichtsnelheid, dus niets dat eroverheengaat kan terug.

Hoe een zwart gat ontstaat

De best begrepen route is stellaire ineenstorting. Volgens NASA put een ster met meer dan ongeveer 20 keer de massa van de Zon uiteindelijk de kernbrandstof uit en stort in onder zijn eigen zwaartekracht. Die ineenstorting veroorzaakt een supernova-explosie die de buitenlagen van de ster weg blaast. Als wat er van de samengeperste kern overblijft nog steeds ongeveer drie zonsmassa's overschrijdt, zegt NASA dat geen bekende kracht de ineenstorting kan stoppen van door te gaan naar een zwart gat.

Eenmaal gevormd kan een zwart gat groeien door omliggende gas aan te zuigen, door materiaal van een begeleider ster af te stropen of door met een ander zwart gat samen te smelten, legt NASA uit op zijn overzichtspagina van zwarte gaten.

Supermassieven zwarte gaten, gevonden in de centra van sterrenstelsels en variërend van ongeveer 100.000 tot miljarden zonsmassa's volgens NASA, zijn minder goed begrepen. NASA merkt op dat hun oorsprong nog een open vraag is, omdat ze al in de vroegste stadia van sterrenstelselvorming leken te bestaan.

Waarnemingshorizon, singulariteit en de onderdelen van een zwart gat

NASA's beschrijving van zwart-gat-'anatomie' somt verschillende afzonderlijke zones op. In het centrum zit de singulariteit, een punt waar materie wordt samengeperst tot wat NASA oneindig dicht beschrijft; wetenschappers zijn niet zeker of dit een fysieke structuur of een wiskundige artefact van de vergelijkingen is. Erbuiten bevindt zich de waarnemingshorizon, de grens zonder ontsnapping. Verder weg kan licht van invallende materie meerdere keren om het zwarte gat in een baan rondgaan voordat het ontsnapt, en produceert dunne ringen zichtbaar rond de donkere 'schaduw' van het zwarte gat in directe afbeeldingen – een regio die NASA de fotonensfer noemt.

Materie die naar een zwart gat valt vormt meestal een hete, gloeiende accretieschijf voordat deze de waarnemingshorizon overschrijdt. In veel systemen wordt in plaats daarvan een deel van dat materiaal omgeleid in stralen deeltjes die zich met bijna de snelheid van het licht voortbewegen; in supermassieven zwarte gaten kunnen deze stralen zich honderdduizenden lichtjaren uitstrekken, zegt NASA.

Bewijzen dat zwarte gaten bestaan: Penrose, Genzel en Ghez

Gedurende decennia waren zwarte gaten een wiskundige gevolg van Einsteins algemene relativiteit in plaats van een bevestigde fysische werkelijkheid. De Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen verleende de helft van de Nobelprijs voor Natuurkunde 2020 aan Roger Penrose, wiens bewijs van 1965 – beschreven in de aankondiging van de Academie zelf, gerapporteerd door ScienceDaily – aantoonde dat zwart-gatvorming een robuuste en onvermijdelijke voorspelling van algemene relativiteit is zodra een voldoende massief, compact lichaam instort, en dat zulk een ineenstorting noodzakelijk een singulariteit produceert.

De andere helft van de prijs ging gezamenlijk naar Reinhard Genzel en Andrea Ghez, die aparte teams leidden die gedurende decennia de banen van sterren in het centrum van de Melkweg volgden met behulp van enkele van 's werelds grootste telescopen. Hun werk, ook samengevat in de Nobelaankondiging die door ScienceDaily werd behandeld, ontdekte een onzichtbaar object van ongeveer vier miljoen zonsmassa's geconcentreerd in een gebied niet groter dan het zonnestelsel – sterk bewijs voor het supermassieven zwarte gat nu bekend als Sagittarius A*.

Het ondetecteerbare opsporen: zwaartekrachtgolven en directe afbeeldingen

Op 14 september 2015 registreerden de dubbele Advanced-LIGO-detectoren een signaal, aangewezen als GW150914, overeenkomend met de voorspelde golfvorm van twee zwarte gaten die spiraliserend samensmeltend. Volgens de eigen wetenschappelijke samenvatting van de LIGO Scientific Collaboration hadden de twee zwarte gaten massa's van ongeveer 36 en 29 zonsmassa's, samensmelterend tot een enkel zwart gat van ongeveer 62 zonsmassa's meer dan een miljard lichtjaar weg; ongeveer drie zonsmassa's werden in een fractie van een seconde geconverteerd naar zwaartekrachtgolfenergie. De detectie droeg een statistische significantie van meer dan 5 sigma, wat betekent dat een vals alarm van die sterkte ongeveer eens per 200.000 jaar vergelijkbare gegevens zou worden verwacht, meldt LIGO.

Vier jaar later publiceerde de Event Horizon Telescope (EHT)-samenwerking de eerste afbeelding van de schaduw van een zwart gat, genomen van M87*, het supermassieven zwarte gat in het centrum van de sterrenstelsel Messier 87. Zoals het Jet Propulsion Laboratory van NASA uitlegt, linkt de EHT radiatelescopen over de hele wereld tot een enkel virtueel instrument door middel van interferometrie met zeer lange basislijn, waardoor een resolutie wordt bereikt ongeveer 4.000 keer scherper dan de Hubble Space Telescope. De observatiecampagne van april 2017 achter de afbeelding, gepubliceerd in 2019, mat M87* op ongeveer 6,5 miljard zonsmassa's, gelegen op ongeveer 53 miljoen lichtjaar afstand.

Op 12 mei 2022 publiceerde de EHT-samenwerking een tweede belangrijke afbeelding: Sagittarius A*, het centrale zwarte gat van de Melkweg. Zoals beschreven door AAS Nova, werden de onderliggende gegevens in april 2017 opgenomen, wat betekent dat meer dan vijf jaar verstreken tussen de waarneming en de publicatie van de afbeelding. Sagittarius A* is ongeveer vier miljoen zonsmassa's en 27.000 lichtjaar weg – wat betekent dat het ongeveer dezelfde schijnbare grootte aan de hemel heeft als het veel massievere en meer verwijderde M87*, omdat M87* ongeveer 2.000 keer verder weg en ongeveer 1.500 keer massiever is. De gemeten ring- en schaduwmaten van beide zwarte gaten kwamen overeen met de voorspellingen van algemene relativiteit, volgens AAS Nova, wat astronomen onafhankelijke bevestiging van Einsteins theorie over sterk verschillende zwart-gat-massa's gaf.

Waarom dit belangrijk is voor de natuurkunde

Elk van deze resultaten test algemene relativiteit in een regime dat Einstein niet rechtstreeks kon waarnemen: materie en ruimtetijd onder extreme zwaartekracht. Het zwaartekrachtgolfsignaal van GW150914 kwam overeen met de door algemene relativiteit voorspelde golfvorm voor een inspectie, samensmelting en daaropvolgende 'ringdown' van het resulterende zwarte gat, volgens LIGO's analyse. De door de EHT gemeten ringdiameters voor zowel M87* als Sagittarius A* kwamen eveneens overeen met voorspellingen van algemene relativiteit, volgens AAS Nova, wat wetenschappers twee onafhankelijke bevestigingsmethoden – zwaartekrachtgolven en directe afbeelding – gaf die convergeren op hetzelfde theoretische raamwerk.