Samenstelling van een zwart gat

Wanneer je de uitdrukking 'zwart gat' hoort, roept dit vrijwel zeker een gevoel van mysterie en verwondering op, misschien getint met een element van gevaar. Terwijl de term 'zwart gat' in de alledaagse taal synoniem is geworden met 'een plaats waar iets naartoe gaat, nooit te zien' nogmaals," de meeste mensen zijn bekend met het gebruik ervan in de astronomiewereld, zij het niet noodzakelijkerwijs met precieze kenmerken en definities.

Decennialang was een van de meest voorkomende refreinen die zwarte gaten samenvatten in de trant van "een plaats waar de zwaartekracht zo sterk is, zelfs niet licht kan ontsnappen." Hoewel dit om te beginnen een nauwkeurig genoeg samenvatting is, is het natuurlijk om je af te vragen hoe zoiets kon gebeuren om te beginnen met.

Andere vragen zijn er in overvloed. Wat zit er in een zwart gat? Zijn er verschillende soorten zwarte gaten? En wat is een typische grootte van een zwart gat, ervan uitgaande dat zoiets bestaat en kan worden gemeten? De lancering van de Hubble-telescoop zorgde voor een revolutie in de manier waarop zwarte gaten konden worden bestudeerd.

Voordat we dieper ingaan op het onderwerp zwarte gaten – en slechte woordspelingen – is het nuttig om de basisterminologie door te nemen die wordt gebruikt om de eigenschappen en geometrie van zwarte gaten te definiëren.

Het meest opvallende is dat elk zwart gat in zijn effectieve centrum eensingulariteit, die bestaat uit materie die zo samengeperst is dat het bijna een puntmassa is. De enorme resulterende dichtheid produceert een zwaartekrachtveld dat zo krachtig is dat tot op een bepaalde afstand zelfs geen fotonen, die de "deeltjes" van licht zijn, kunnen loskomen. Deze afstand staat bekend als deSchwarzchild straal; in een niet-roterend zwart gat (en over het meer dynamische type leer je in een volgende paragraaf), vormt de onzichtbare bol met deze straal met de singulariteit in het midden degebeurtenishorizon​.

Dit alles verklaart natuurlijk niet waar zwarte gaten eigenlijk vandaan komen. Doen ze spontaan en op willekeurige plaatsen in de kosmos op? Zo ja, is er enige voorspelbaarheid in hun uiterlijk? Gezien hun geroemde kracht, zou het nuttig zijn om te weten of een zwart gat van plan is zich te vestigen in de algemene omgeving van het zonnestelsel van de aarde.

Het bestaan ​​van zwarte gaten werd voor het eerst voorgesteld in de 18e eeuw, maar wetenschappers van die tijd ontbraken de instrumenten die nodig waren om iets van wat ze hadden voorgesteld te bevestigen. In het begin van de twintigste eeuw gebruikte de Duitse astronoom Karl Schwarzchild (ja, die) Einsteins theorie van algemene relativiteit om het fysiek meest prominente gedrag van zwarte gaten vast te stellen - hun vermogen om licht te "vangen".

In theorie, gebaseerd op het werk van Schwarzchild, zou elke massa als basis kunnen dienen voor een zwart gat. De enige vereiste is dat de straal na het samendrukken de Schwarzchild-straal niet overschrijdt.

Het bestaan ​​van zwarte gaten heeft natuurkundigen voor een raadsel geplaatst, zij het verleidelijk om te proberen op te lossen. Er wordt aangenomen dat dankzij de ruimte-tijdkromming die het gevolg is van de buitengewone zwaartekracht in de buurt van het zwarte gat, de natuurwetten in feite uiteenvallen; omdat de waarnemingshorizon ontoegankelijk is voor menselijke analyse, is dit conflict in feite niet echt een conflict voor astrofysici.

Als je denkt aan de grootte van een zwart gat als de bol gevormd door de waarnemingshorizon, is de dichtheid heel anders dan wanneer de zwarte gat wordt in plaats daarvan alleen behandeld als de belachelijk kleine ingestorte ster met massa die de singulariteit vormt (meer hierover in een moment).

Wetenschappers geloven dat zwarte gaten net zo klein kunnen zijn als bepaalde atomen, maar toch evenveel massa kunnen hebben als een berg op aarde. Aan de andere kant kunnen sommige ongeveer 15 keer zo massief zijn als de zon, terwijl ze nog steeds klein zijn (maar niet atomair in grootte). Dezestellaire zwarte gatenzijn te vinden in alle sterrenstelsels, inclusief de Melkweg, waarin de aarde en het zonnestelsel zich bevinden.

Nog andere zwarte gaten kunnen veel, veel groter zijn. Dezesuperzware zwarte gatenkan meer dan een miljoen keer zo massief zijn als de zon, en er wordt aangenomen dat elk sterrenstelsel er een in het centrum heeft. Die in het centrum van de Melkweg, genaamdBoogschutter A, is groot genoeg om een ​​paar miljoen aardes te bevatten, maar dit volume verbleekt in vergelijking met de massa van het object - geschat op die van 4 miljoen zonnen.

In plaats van zich onvoorspelbaar te vormen en te verschijnen, een dreiging waar eerder licht op gezinspeeld werd, wordt aangenomen dat zwarte gaten zich vormen op hetzelfde moment als de grotere objecten waarin zij leven." Er wordt aangenomen dat sommige kleine zwarte gaten zijn gevormd op het moment dat de kosmos zelf ontstond, ten tijde van de oerknal bijna 14 miljard jaar geleden.

Dienovereenkomstig worden superzware zwarte gaten in individuele sterrenstelsels gevormd op het moment dat die sterrenstelsels uit interstellaire materie samensmelten. Andere zwarte gaten ontstaan ​​als gevolg van een gewelddadige gebeurtenis genaamd asupernova​.

Een supernova is de implosieve of 'traumatische' dood van een ster, in tegenstelling tot een ster die opbrandt als een gigantische hemelse sintel. Dergelijke gebeurtenissen vinden plaats wanneer een ster zoveel van zijn brandstof heeft opgebruikt dat hij onder zijn eigen massa begint in te storten. Deze implosie resulteert in een rebound-explosie die veel van wat overblijft van de ster wegwerpt, waardoor een singulariteit op zijn plaats blijft.

Een van de bovengenoemde problemen voor natuurkundigen is dat de dichtheid van het deel van het zwarte gat dat als singulariteit wordt beschouwd kan niet worden berekend als iets anders dan oneindig, omdat het onzeker is hoe klein de massa eigenlijk is (bijvoorbeeld hoe klein het volume is) bezet). Om de dichtheid van een zwart gat zinvol te berekenen, moet de Schwarzchild-straal worden gebruikt.

Een zwart gat met de massa van de aarde heeft een theoretische dichtheid van ongeveer 2 × 10²⁷ g/cm³ (ter referentie, de dichtheid van water is slechts 1 g/cm³). Een dergelijke omvang is praktisch onmogelijk in de context van het dagelijks leven te plaatsen, maar de kosmische resultaten zijn voorspelbaar uniek. Om dit te berekenen, deel je de massa door het volume nadat je de straal "corrigeert" met behulp van de relatieve massa's van het zwarte gat en de zon, zoals in het volgende voorbeeld.

​Voorbeeld probleem:Een zwart gat heeft de massa van ongeveer 3,9 miljoen (3,9 × 10⁶) zonnen, met een massa van 1,99 × 10 ׳³ gram, en wordt verondersteld een bol te zijn met een Schwarzchild-straal van 3 × 10⁵ cm. Wat is zijn dichtheid?

Zoek eerst deeffectieve straal van de bol die de gebeurtenishorizon vormtdoor de Schwarzchild-straal te vermenigvuldigen met de verhouding van de massa van het zwarte gat tot die van de zon, gegeven als 3,9 miljoen:

Bereken vervolgens het volume van de bol, gevonden met de formule V = (4/3)πr³:

Deel ten slotte de massa van de bol door dit volume om de dichtheid te verkrijgen. Omdat je de massa van de zon krijgt en het feit dat de massa van het zwarte gat 3,9 miljoen keer groter is, kun je deze massa berekenen als (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. De dichtheid is dus:

Astronomen hebben verschillende classificatiesystemen voor zwarte gaten ontwikkeld, één gebaseerd op alleen massa en één op basis van lading en rotatie. Zoals hierboven terloops opgemerkt, roteren de meeste (zo niet alle) zwarte gaten rond een as, net als de aarde zelf.

Het classificeren van zwarte gaten op basis van massa levert het volgende systeem op:

• ​Primordiale zwarte gaten:Deze hebben een massa die vergelijkbaar is met die van de aarde. Deze zijn puur hypothetisch en zijn mogelijk gevormd door regionale zwaartekrachtverstoringen in de onmiddellijke nasleep van de oerknal.
• ​Stellaire massa zwarte gaten:Zoals eerder vermeld, hebben deze een massa tussen ongeveer 4 en 15 zonsmassa's en zijn ze het gevolg van de "traditionele" ineenstorting van een groter dan gemiddelde ster aan het einde van zijn levensduur.
• ​Intermediaire massa zwarte gaten:Deze zwarte gaten - ongeveer een paar duizend keer zo zwaar als de zon - kunnen anno 2019 nog niet bevestigd zijn in sommige sterrenhopen en kunnen later ook uitgroeien tot superzware zwarte gaten.
• ​Superzware zwarte gaten:Ook eerder vermeld, hebben deze tussen een miljoen tot een miljard zonsmassa's en worden ze gevonden in de centra van grote sterrenstelsels.

In een alternatief schema kunnen zwarte gaten in plaats daarvan worden gecategoriseerd op basis van hun rotatie en lading:

• ​Schwarzschild zwart gat:Ook bekend als astatisch zwart gat, dit type zwart gat roteert niet en heeft geen elektrische lading. Het wordt daarom alleen gekenmerkt door zijn massa.
• ​Kerr zwart gat:Dit is een roterend zwart gat, maar net als een Schwarzschild zwart gat heeft het geen elektrische lading.
• ​Opgeladen zwart gat:Deze zijn er in twee varianten. een geladen,niet-roterendzwart gat staat bekend als aReissner-Nordstrom zwart gat, terwijl een geladen,roterendzwart gat heet aKerr-Newman zwart gat​.

Je zou terecht zijn begonnen je af te vragen hoe wetenschappers zoveel zelfverzekerde conclusies hebben getrokken over objecten die per definitie niet kunnen worden gevisualiseerd. Veel kennis van zwarte gaten is afgeleid van het gedrag en het uiterlijk van relatief nabije objecten. Wanneer een zwart gat en een ster dicht genoeg bij elkaar staan, ontstaat er een speciaal soort hoogenergetische elektromagnetische straling die alerte astronomen kan afwijzen.

Grote gasstralen kunnen soms worden gezien vanaf de "uiteinden" van een zwart gat; soms kan dit gas samensmelten tot een vaag cirkelvormige vorm die bekend staat als anaccretieschijf. Er wordt verder getheoretiseerd dat zwarte gaten een soort straling uitzenden die, toepasselijk,zwart gat straling(ofHawking-straling). Deze straling kan aan het zwarte gat ontsnappen als gevolg van de vorming van "materie-antimaterie"-paren (bijv.elektronenenpositronen) net buiten de waarnemingshorizon, en de daaropvolgende emissie van alleen de positieve leden van deze paren als warmtestraling.

Voor de lancering van deHubble Ruimtetelescoopin 1990 hadden astronomen lang gepuzzeld over zeer verre objecten die ze noemdenquasars, een compressie van 'quasi-stellaire objecten'. Zoals superzware zwarte gaten, waarvan het bestaan later ontdekt, worden deze snel wervelende hoogenergetische objecten gevonden in de centra van grote sterrenstelsels. Zwarte gaten worden nu beschouwd als de entiteiten die het gedrag van quasars aandrijven, die alleen op enorme afstanden worden gevonden omdat ze in de relatieve kinderschoenen van de kosmos bestonden; hun licht bereikt nu net de aarde na zo'n 13 miljard jaar onderweg.

Sommige astrofysici hebben gesuggereerd dat sterrenstelsels die vanaf de aarde worden bekeken, verschillende basistypen lijken te zijn, in feite hetzelfde type kunnen zijn, maar met verschillende kanten ervan naar de aarde gericht. Soms is de quasar-energie zichtbaar en geeft het een soort "vuurtoren"-effect in termen van hoe de aarde instrumenten registreren de activiteit van de quasar, terwijl sterrenstelsels op andere momenten "stiller" lijken vanwege hun oriëntatie.