Wat zijn zwarte gaten?

Zwarte gaten zijn een van de meest fascinerende objecten die in de ruimte te vinden zijn. Het zijn objecten met een extreem grote dichtheid en met zo’n sterke zwaartekracht dat zelfs het licht er niet aan kan ontsnappen. Albert Einstein voorspelde voor het eerst het bestaan van zwarte gaten in 1916, toen hij zijn algemene relativiteitstheorie publiceerde. De term “zwart gat” werd jaren later in 1967 bedacht door de astronoom John Wheeler. Zwarte gaten bestonden jarenlang slechts als theoretische objecten. Tot er in 1971 een indirect werd waargenomen. Dit jaar werd er voor het eerst ook een beeld van een zwart gat gepubliceerd. De Event Horizon Telescope (EHT) zag het zwarte gat in het centrum van het sterrenstelsel M87. Het beeld laat het plotselinge verlies van fotonen duidelijk zien. Bovendien opent het een heel nieuw onderzoeksgebied met betrekking tot zwarte gaten.

Astronomen onderscheiden drie soorten zwarte gaten:

Stellaire zwarte gaten

Als een ster door zijn brandstof heen is, kan het volledig instorten. Bij kleinere sterren (tot ongeveer drie keer de massa van de Zon) wordt de kern een witte dwerg of een neutronenster. Maar als een zwaardere ster instort, dan blijft de kern van de ster nog verder instorten tot er uiteindelijk een zwart gat ontstaat. Zwarte gaten die zijn ontstaan als restant van individuele sterren zijn relatief klein, maar hebben een waanzinnig grote dichtheid. Een zwart gat dat zo groot is als Amsterdam bevat een massa van ongeveer drie keer de massa van de Zon! Dat zorgt voor een extreem grote aantrekkingskracht op objecten die in de buurt van het zwarte gat komen. Stellaire zwarte gaten voeden zich met stof en gas van hun omringende sterrenstelsels, waardoor ze steeds groter worden. Berekeningen laten zien dat onze Melkweg een paar honderd miljoen zwarte gaten moet hebben.

Superzware zwarte gaten

Kleine zwarte gaten zijn dus extreem dicht, maar hun grote broers, de superzware gaten, spannen de kroon. Deze enorme zwarte gaten zijn miljoenen of soms zelfs miljarden keren zo zwaar als de Zon, maar zijn in diameter vaak niet veel groter dan een stellair zwart gat. Astronomen verwachten dat er in het centrum van bijna alle sterrenstelsels zo’n superzwaar gaat zit. Ook in onze Melkweg. Waar deze superzware zwarte gaten precies vandaan komen, is tot nu toe nog een raadsel. Men vermoedt wel dat ze tijdens het ontstaan van het sterrenstelsel zijn gevormd. Superzware zwarte gaten kunnen het gevolg zijn van honderden of duizenden kleinere zwarte gaten die samensmelten. Er kunnen ook grote gaswolken zijn ingestort met een zwart gat als gevolg. Er kan ook een groep sterren tegelijk instorten, waardoor een zwart gat ontstaat. Of, tot slot, superzware gaten zouden kunnen ontstaan uit grote clusters van donkere materie.  Zodra deze superzware zwarte gaten zijn gevormd, voeden ze zich met stof en gas, iets dat in overvloed aanwezig is in het centrum van een sterrenstelsel. Daardoor kunnen ze nog verder groeien.

Middelgrote zwarte gaten

Astronomen hebben lang gedacht dat zwarte gaten in een grote en een kleine variant bestonden, maar er is inmiddels ook onderzoek gedaan naar zogenaamde middelgrote zwarte gaten. Dit soort objecten kunnen ontstaan als er meerdere sterren in een cluster botsten en een soort van kettingreactie veroorzaken. Deze middelgrote zwarte gaten zouden dan allemaal kunnen in het centrum van een sterrenstelsel samensmelten tot een superzwaar zwart gat. In 2014 vonden astronomen een middelgroot zwart gat in de arm van een spiraalvormig sterrenstelsel. Maar daarna is het niet meer gelukt om een soortgelijk zwart gat te vinden. Nieuw onderzoek uit 2018 suggereerde dat middelgrote zwarte gaten met name voorkomen in de kern van dwergstelsels of zeer kleine sterrenstelsels. Uit observaties van tien dwergstelsels volgde dat er röntgenactiviteit was dat hoort bij de aanwezigheid van zwarte gaten. Het blijkt dat deze zwarte gaten een massa hebben die varieert tussen de 36000 en de 316000 zonsmassa’s.

Hoe zien zwarte gaten eruit?

Zwarte gaten bestaan uit drie lagen: de buitenhorizon, de binnenhorizon en de singulariteit.

De waarnemingshorizon van een zwart gat is de grens rond de “mond” van het zwarte gat, waarlangs het licht niet meer kan ontsnappen. Zodra een deeltje de waarnemingshorizon voorbij gaat, kan het niet meer terug. Over de hele waarnemingshorizon is de zwaartekracht constant. Het binnenste gebied van het zwarte gat, waar alle massa van het zwarte gat zich bevindt, noemen we de singulariteit. Zwarte gaten zijn niet waar te nemen zoals sterren en planeten. Het enige dat ze kunnen meten zijn straling die zwarte gaten uitzenden als een zwart gat gevoed wordt. Maar superzware zwarte gaten die diep in het centrum van een sterrenstelsel liggen, zijn lastiger te vinden. Zij zijn vaak omgeven door een dikke laag van stof en gas, waardoor hun uitgezonden straling lastig te detecteren is.

Soms, als er materie naar een zwart gat wordt toegetrokken, kaatst het van de waarnemingshorizon af en wordt het naar buiten geslingerd in plaats van dat het naar binnen wordt getrokken. Er ontstaan dan heldere jets van materie, die haast met de lichtsnelheid reizen. Deze jets zijn goed waar te nemen, maar het zwarte gat blijft niet te zien. Dit jaar is er voor het eerst een foto van een zwart gat gemaakt. Van het superzware zwarte gat in het sterrenstelsel M87. In de toekomst verwachten de onderzoekers andere zwarte gaten in beeld te kunnen brengen om van daaruit beter te kunnen bekijken hoe ze precies uit zien. Het volgende doelwit is het superzware zwarte gat in onze Melkweg: Sagittarius A*. Dit wordt spannend, want dit superzware zwarte gat is veel rustiger dan het eigenlijk zou moeten zijn. Dat zou te maken kunnen hebben met magneetvelden die zijn activiteit enigszins lamleggen. Een ander onderzoek uit 2019 laat zien dat een heel koele halo van gas om Sagittarius A* zit. Dat wordt nog verder onderzocht, want dit zou een ongekend inzicht kunnen geven over hoe de omgeving rondom een zwart gat eruit ziet.

Bijzondere feiten over zwarte gaten

• Als je in een zwart gat valt, dan wordt aangenomen dat de zwaartekracht je uitrekt als spaghetti, waardoor je al overleden bent voordat je bij de singulariteit komt. Maar een onderzoek in Nature uit 2012 suggereert dat kwantumeffecten ervoor kunnen zorgen dat de waarnemingshorizon als een soort muur van vuur zou werken, waardoor je onmiddellijk zou verbranden.
• Zwarte gaten hebben geen zuigende werking. Je krijgt alleen een zuigende werking als je iets vacuüm trekt, maar een zwart gat is allesbehalve een vacuüm. Wat er wel gebeurt, is dat voorwerpen richting het zwarte gat vallen als gevolg van de zwaartekracht. Net zoals een appel uit een boom op de aarde valt als gevolg van de zwaartekracht.
• Het allereerste zwarte gat is Cygnus X-1. Dit object was in 1974 onderdeel van een weddenschap tussen de beroemde Stephen Hawking en de latere Nobelprijswinnaar Kip Thorne, waarbij Hawking zeker dacht te weten dat de gevonden bron geen zwart gat kon zijn. Pas in 1990 gaf Hawking zijn nederlaag toe.
• Direct na de Oerknal kunnen microscopische zwarte gaten zijn ontstaan. Snel uitbreidende ruimte kan op sommige plekken zijn samengeperst tot kleine, dichte zwarte gaten, die een massa hebben die minder is dan dat van de Zon.
• Als een ster te dicht bij een zwart gat in de buurt komt, kan deze uit elkaar worden getrokken.
• Astronomen schatten dat de Melkweg tussen de 10 miljoen en 1 miljard zwarte gaten zou moeten hebben, met een massa van ongeveer drie keer dat van de Zon.