Hoe zwarte gaten ontstaan, wat ze zijn en wat ze over het universum onthullen

Een zwart gat wordt door NASA gedefinieerd als een gebied in de ruimte waar de zwaartekracht sterk genoeg is dat niets, inclusief licht, kan ontsnappen zodra het een grens passeert die de waarnemingshorizon wordt genoemd. Omdat er geen licht ontsnapt, kunnen zwarte gaten zelf niet direct worden gezien; hun aanwezigheid wordt afgeleid uit hun zwaartekrachteffecten op nabije materie en sinds 2019 ook uit directe beelden van het gloeiend materiaal eromheen.

Hoe ontstaat een zwart gat

Volgens NASA genereert een ster energie door kernfusie in zijn kern, en de uitwaartse druk van die energie balanceert de inwaartse zwaartekrachttrek van de ster zelf. Wanneer een ster met meer dan 20 keer de massa van de Zon zijn kernbrandstof uitput, wordt dat evenwicht doorbroken. De kern stort in onder zijn eigen gewicht, wat een supernovaexplosie veroorzaakt die de buitenlagen van de ster wegblaast. Als de resterende kern ongeveer drie zonmassa's overschrijdt, stelt NASA dat deze doorgaat met het instorten tot een stellair zwart gat.

Niet elke instortende ster produceert een zwart gat. Een kern onder ongeveer drie zonmassa's wordt volgens NASAs beschrijving van stellaire evolutie meestal een neutronenster. Zodra een zwart gat bestaat, kan het verder groeien door gas, stof en zelfs andere sterren of zwarte gaten aan te trekken die te dicht in de buurt komen.

De drie hoofdtypen

NASA groeppeert zwarte gaten in drie brede categorieën op massa. Stellaire zwarte gaten, variërend van ongeveer drie tot enkele tientallen zonmassa's, zijn verspreid in de Melkweg en ontstaan uit instortende massieve sterren. Zwarte gaten met tussenliggende massa's, met ongeveer 100 tot meer dan 10.000 zonmassa's, zijn zeldzamer en moeilijker te bevestigen; NASA noemt een van de meest overtuigende voorbeelden die in 2019 werd geïdentificeerd. Superzware zwarte gaten, met een inhoud van 100.000 tot miljarden zonmassa's, bevinden zich in de centra van de meeste grote sterrenstelsels, inclusief de Melkweg.

Het onzichtbare zichtbaar maken: directe beelden

Omdat licht niet uit een zwart gat kan ontsnappen, kunnen astronomen het object zelf niet fotograferen. In plaats daarvan fotografeert de Event Horizon Telescope (EHT) — een wereldwijd netwerk van radiatelescopen dat volgens de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) als één aardse instrument functioneert — het gloeiende gas dat rond een zwart gat wervel net buiten zijn waarnemingshorizon. Op 10 april 2019 gaf de EHT Collaboration het eerste dergelijke beeld vrij, van het superzware zwart gat in het centrum van sterrenstelsel M87, gelegen op ongeveer 55 miljoen lichtjaar van de Aarde en gemeten op ongeveer 6,5 miljard zonmassa's, volgens de NSF-samenvatting.

Op 12 mei 2022 gaf de EHT Collaboration een tweede beeld vrij, ditmaal van Sagittarius A*, het superzware zwart gat in het centrum van onze eigen Melkweg. De NSF beschrijft het als het eerste directe visuele bewijs van dat object, met een massa die de NSF ongeveer 4 miljoen keer de zonmassa aangeeft. Een samenvatting van de bevindingen op cosmoquest.org plaatst de massa eveneens op ongeveer vier miljoen zonmassa's en de afstand op ongeveer 27.000 lichtjaar van de Aarde. Beide afbeeldingen tonen dezelfde handtekening: een donkere centrale schaduw omgeven door helder, gelensd licht van gloeiend heet orbitaal gas.

Rimpels in ruimtetijd: zwaartekrachtgolven

Een afzonderlijke bewijslijn komt van zwaartekrachtgolven — rimpels in ruimtetijd voorspeld door Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie in 1915. Op 14 september 2015 registreerden de tweelingdetectoren van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Hanford, Washington en Livingston, Louisiana een signaal aangeduid als GW150914, volgens een LIGO-wetenschappelijke samenvatting. Het signaal kwam van de versmelting van twee zwarte gaten met massa's van ongeveer 36 en 29 keer de zonmassa, die samenvloeiden tot één zwart gat van ongeveer 62 zonmassa's. De ontbrekende drie zonmassa's werden volgens LIGO uitgestraald als zwaartekrachtgolfenergie van een gebeurtenis meer dan een miljard lichtjaar ver weg.

LIGO rapporteert dat de detectie een statistische significantie van meer dan vijf sigma bereikte, wat betekent dat een vals alarm van die sterkte naar verwachting slechts ongeveer eenmaal in ruwweg 200.000 jaar vergelijkbare gegevens zou voorkomen. De waargenomen golfvorm kwam overeen met voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie, waardoor natuurkundigen een nieuwe manier kregen om zwarte gaten te bestuderen die niet afhankelijk is van licht.

Wat zwarte gaten over het universum onthullen

NASAs beschrijving van zwarte-gatanatoom identificeert drie belangrijke zones: de waarnemingshorizon, het punt van geen terugkeer waar de ontsnappingssnelheid de lichtsnelheid overschrijdt; de aanwasschijf, de spiraalende materie waarvan de straling astronomen in staat stelt anders onzichtbare zwarte gaten op te sporen; en de singulariteit in de kern, waar materie tot extreme dichtheid wordt samengeperst en de huidige fysica, inclusief de algemene relativiteitstheorie, naar verwachting instort. NASA merkt op dat dit is waar kwantumeffecten naar verwachting belangrijk worden, wat betekent dat zwarte gaten de grens markeren waar relativiteit en kwantummechanica uiteindelijk moeten samenkomen.

Omdat zij licht buigen, tijd vervormen en de structuur van sterrenstelsels verankeren, functioneren zwarte gaten als natuurlijke laboratoria. Waarnemingen van directe beeldvorming en van zwaartekrachtgolfdetectoren geven wetenschappers twee onafhankelijke manieren om te testen of zwaartekracht zich gedraagt zoals Einsteins theorie voorspelt onder de meest extreme omstandigheden die in het universum bekend zijn.