Definitie
Een zwart gat is geen gat in de letterlijke zin, maar een buitengewoon dicht gepakt object. Stel je de Zon voor, samengeperst tot een bol van slechts 6 km doorsnee. De zwaartekracht aan het oppervlak zou dan zo sterk worden dat zelfs licht niet meer ontsnappen kan. Dat is een zwart gat.
Een zwart gat is een gebied van de ruimtetijd waar de zwaartekracht zo sterk is dat niets — zelfs geen licht — voldoende snelheid heeft om te ontsnappen.
Omdat licht ervan niet ontsnappen kan, is een zwart gat letterlijk onzichtbaar. We zien het alleen door zijn invloed op de omgeving — bijvoorbeeld doordat een nabije ster eromheen draait, of doordat gas dat erin valt röntgenstraling uitzendt.
De onderdelen
Een zwart gat heeft, simpel gezegd, twee onderdelen:
- Singulariteit — het wiskundige middelpunt waar alle massa verzameld is. Volgens de huidige theorie heeft het een dichtheid die in het oneindige loopt. De meeste fysici denken dat een toekomstige theorie van kwantumzwaartekracht hier een eindige beschrijving zal geven.
- Waarnemingshorizon (event horizon) — een denkbeeldige bol rond de singulariteit. Wie deze grens passeert, kan niet meer terug. De straal van deze horizon heet de schwarzschildstraal; ze is recht evenredig met de massa van het zwart gat.
Soorten zwarte gaten
| Soort | Massa | Ontstaan |
|---|---|---|
| Stellair | 3 – 100 zonsmassa's | Ineenstorting van een zware ster |
| Intermediair | 100 – 100 000 zonsmassa's | Onzeker; misschien fusies van stellaire zwarte gaten |
| Supermassief | 1 miljoen tot 10 miljard zonsmassa's | Groei in het hart van sterrenstelsels, mechanisme nog niet volledig duidelijk |
In het hart van vrijwel elk groot sterrenstelsel — ook onze eigen Melkweg — zit een supermassief zwart gat. Het exemplaar in onze Melkweg heet Sagittarius A* en heeft een massa van ongeveer 4 miljoen zonsmassa's.
Hoe ontstaan zwarte gaten?
Een ster brandt waterstof tot helium door kernfusie. Zolang er brandstof is, drukt de stralingsdruk vanuit de kern tegen de zwaartekracht in. Voor de meeste sterren eindigt dat in een rustige dood: ze worden eerst rode reuzen en daarna witte dwergen. Bij sterren met meer dan ongeveer 20 zonsmassa's gaat het anders.
Wanneer hun brandstof op is, stopt de stralingsdruk. De kern stort onder zijn eigen zwaartekracht ineen. Bij minder zware sterren ontstaat een neutronenster; bij de allerzwaarste blijft de instorting doorgaan tot er een zwart gat overblijft. De buitenste lagen worden tegelijk in een spectaculaire supernova de ruimte ingeslingerd.
Hoe weten we dat ze bestaan?
Vier onafhankelijke bewijslijnen:
- Sterren in baan. Astronomen volgen al decennia sterren rond Sagittarius A* in het hart van de Melkweg. Hun banen wijzen op een onzichtbaar object van enkele miljoenen zonsmassa's, samengeperst in een ruimte kleiner dan ons zonnestelsel.
- Röntgenstraling. Gas dat een zwart gat in spiraalt versnelt enorm en wordt zo heet dat het röntgenstraling uitzendt. Telescopen zoals Chandra zien dit op talloze plekken.
- Zwaartekrachtsgolven. Sinds 2015 detecteren LIGO en Virgo trillingen in de ruimtetijd van botsende zwarte gaten. De gemeten signalen kloppen exact met de voorspellingen uit Einsteins relativiteitstheorie.
- Directe beeldvorming. In 2019 publiceerde de Event Horizon Telescope-samenwerking de eerste foto van de "schaduw" van het zwarte gat in het sterrenstelsel M87. In 2022 volgde een foto van Sagittarius A* in onze eigen Melkweg.
Wat zit erin?
Eerlijk antwoord: we weten het niet zeker. De algemene relativiteitstheorie voorspelt een puntvormige singulariteit met oneindige dichtheid. Maar oneindige waarden in een fysische theorie zijn meestal een teken dat die theorie haar grens heeft bereikt. Een complete theorie van kwantumzwaartekracht — een samensmelting van algemene relativiteit en kwantummechanica — bestaat nog niet, en is precies wat we nodig hebben om de binnenkant van een zwart gat te beschrijven.
Veelgemaakte misverstanden
- "Zwarte gaten zuigen alles op." Onjuist. Op enige afstand werkt een zwart gat als elke andere zware massa. Zou onze Zon morgen vervangen worden door een zwart gat van dezelfde massa, dan zou de Aarde gewoon doordraaien in haar baan — alleen donkerder en kouder.
- "Niets ontsnapt aan een zwart gat." Stephen Hawking toonde in 1974 aan dat zwarte gaten heel langzaam straling uitzenden — de zogenoemde Hawkingstraling. Voor sterke zwarte gaten is dit effect verwaarloosbaar klein, maar in principe verdampen ze over onvoorstelbaar lange tijdschalen.
- "Een zwart gat is een gat in de ruimte." Een zwart gat is geen leegte maar juist een extreem dichte massaverzameling. De ruimte eromheen is sterk gekromd.
- "Sneller dan het licht kan eruit ontsnappen." Volgens de speciale relativiteitstheorie kan niets sneller dan het licht reizen. Aangezien zelfs licht niet uit een zwart gat komt, kan niets dat wel.
Verwante begrippen
- De oerknal — een ander uiterste van zwaartekracht
- Zwaartekracht — de kracht achter zwarte gaten
- Zwart gat (begrippenlijst) — korte definitie
- Lichtjaar — eenheid waarin afstanden tot zwarte gaten worden uitgedrukt
- Albert Einstein — voorspeller van zwarte gaten
Veelgestelde vragen
Wat is een zwart gat in het kort?
Een zwart gat is een gebied in de ruimte waar de zwaartekracht zo sterk is dat zelfs licht er niet uit kan ontsnappen. De grens vanaf waaruit niets meer terug kan, heet de waarnemingshorizon.
Hoe ontstaat een zwart gat?
Een zwart gat ontstaat meestal wanneer een zeer zware ster (ten minste 20 keer de massa van de Zon) aan het einde van haar leven instort. De kern bezwijkt onder de eigen zwaartekracht, terwijl de buitenste lagen als supernova de ruimte ingeslingerd worden. Supermassieve zwarte gaten ontstaan op een nog niet volledig begrepen manier in het hart van sterrenstelsels.
Zijn er foto's van zwarte gaten?
Ja. In 2019 publiceerde de Event Horizon Telescope-samenwerking de eerste foto van de schaduw van een zwart gat in het hart van het sterrenstelsel M87. In 2022 volgde een foto van Sagittarius A* in onze eigen Melkweg.
Wat gebeurt er als je in een zwart gat valt?
Voor een buitenstaander lijkt het of je oneindig vertraagt bij de waarnemingshorizon — je rode kleur schuift zelfs naar het rood door de zogeheten roodverschuiving. Vanuit jouw eigen perspectief val je door — bij een groot zwart gat zelfs ongehinderd. Uiteindelijk word je opgerekt door getijdenkrachten, een effect dat fysici "spaghettificatie" noemen.
Wat is een supermassief zwart gat?
Een supermassief zwart gat is een zwart gat met een massa van miljoenen tot miljarden zonsmassa's. In het hart van de meeste sterrenstelsels, ook de Melkweg, bevindt zich zo'n exemplaar. Hun ontstaan is nog niet volledig begrepen.
Wie voorspelde het bestaan van zwarte gaten?
Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie (1915) liet de mogelijkheid van zwarte gaten open. Karl Schwarzschild loste de vergelijkingen in 1916 op en vond de wiskundige beschrijving van wat we nu een statisch zwart gat noemen. De term "zwart gat" zelf werd in 1967 populair gemaakt door fysicus John Wheeler.