Zwarte gaten

Inleiding Voor het vak Algemene Natuurwetenschappen moesten wij een praktische opdracht doen, naar aanleiding van hoofdstuk zeven. Je kon uit verschillende onderwerpen kiezen. Zwarte gaten sprak mij het meeste aan omdat ik er wel eens iets van gehoord had, maar ik wist niet precies waar het over ging. Dus ik dacht daar wil ik meer van weten. Ik had ook heel makkelijk kunnen doen en een onderwerp kunnen kiezen waar je maar drie kantjes voor hoefde te maken, maar die onderwerpen leken me niks. Dan maar iets meer, dan weet je tenminste zeker dat je iets doet wat je het leuk vindt. Ik heb een hoofdvraag gemaakt en een aantal deelvragen die dieper op de hoofdvraag in gaan. De hoofdvraag luidt: Wat is een zwart gat? De deelvragen die ik heb bedacht zijn: Hoe ontstaan zwarte gaten? Hoe worden zwarte gaten waargenomen? Zijn er verschillende soorten zwarte gaten? Wat gebeurt er als ik in een zwart gat val? Hoe verdwijnen zwarte gaten? Wat zijn wormholen en witte gaten? Ik had het werkstuk bijna af en ik wilde het opslaan en toen liep de computer vast. Weg werkstuk. Ik had nog niks opgeslagen, ook de informatie niet, dus ik kon weer helemaal op nieuw beginnen. Vandaar dat ik de deelvragen iets heb aangepast. Ik heb eerst informatie gezocht en naar aanleiding van de informatie heb ik deelvragen geformuleerd, omdat ik nog maar weinig tijd had. Na het formuleren van de deelvragen heb ik ze beantwoord. Daarna heb ik de hoofdvraag beantwoord en heb ik de bronnenlijst gemaakt. Tot slot heb ik de inhoud geschreven. Ik vond het best wel leuk om dit werkstuk te maken, omdat het een interessant onderwerp was. Al was sommige informatie erg moeilijk te begrijpen, vooral omdat het ook vaak in het Engels was. Ik heb ook een hele wijze les geleerd, ik zal in het vervolg heel vaak back-upjes gaan maken. En ik heb ook geleerd dat ik me niet nog verder in astronomie ga verdiepen want het is heel moeilijk te begrijpen wat er allemaal nog meer is in de ruimte. Ik kan me ook moeilijk een voorstelling maken van het hele heelal. Het is zo groot en dat is best wel moeilijk te bevatten. Omdat ik het hele verslag in zo’n korte tijd
opnieuw moest maken had ik geen tijd om er plaatjes bij te zoeken. Ik had het namelijk ook erg druk met huiswerk voor andere vakken. Maar ik heb wel alle tien uur in dit werkstuk gestoken en dat is het belangrijkste.
Wat zijn zwarte gaten? Een zwart gat is een object met een bepaalde massa dat aantrekkingskracht uitoefent op een ander object in de ruimt. In feite trekken allebei de objecten elkaar aan, maar voor het gemak gaan we er vanuit dat het zwaarst object het lichtste aantrekt. En als de massa’s maar genoeg verschillen dan klopt dat ook wel aardig. Als het lichtste object geen snelheid heeft ten opzichte van het zwaarste zal het snel naar het zwaarste object worden getrokken en daarop te pletter storten. Bezit het lichtste object wel snelheid dan kunne er drie dingen gebeuren. Ten eerste kan het toch neerstorten omdat het niet snel genoeg gaat. Het kan ook nog in een baan rond het zwaarste object gaan draaien. En tot slot kan het zich van het zwaarste object af bewegen. Voor dat laatste is ontsnappingssnelheid nodig. Er zijn objecten die zo ongelofelijk zwaar zijn ten opzichte van hun omvang dat de ontsnappingssnelheid aan het oppervlak sneller is dan het licht. Aan deze dingen kan dus niks ontsnappen, zelfs licht niet, vandaar dat ze zwarte gaten genoemd worden. In de astronomie heeft het een hele tijd geduurd voordat er een zwart gat werd gevonden. Dat is ook een hele klus omdat ze in feite onzichtbaar zijn. Hoe zwarte gaten worden opgespoord leg ik nog uit. Het idee van zwarte gaten is ontstaan in de achttiende eeuw. Door dat idee steeds verder uit te werken en te bestuderen groeide het beseften wetenschappers dat ze wel eens echt zouden kunnen bestaan en dat ze ontstonden uit dode sterren. Einstein was diegene die het bewijs leverde voor het bestaan van zwarte gaten. Een zwart gat heeft een aantal rare eigenschappen door de grote zwaartekracht. Het heeft bijvoorbeeld een soort grens, waar de ontsnappingssnelheid en de snelheid van het licht hetzelfde zijn. En als je die grens overschrijdt is er geen mogelijkheid meer om te ontsnappen aan de kracht van het zwarte gat. Een ander opmerkelijk punt is de singulariteit, de kern van het gat. Daar wordt alles wat de grens overgaat heengetrokken. Omdat de zwaartekracht van een zwart gat zo groot is wordt alles er naartoe getrokken. Het is een grote slokop die nooit iets teruggeeft en alleen maar groeit. Zelfs in onze eigen melkweg menen astronomen een zwart gat te hebben ontdekt. In het centrum van de melkweg bevindt zich namelijk een compacte en energierijke bron van microgolven. Sommige astronomen gaan zelfs zo ver om te denken dat het om een gat gaat met een doorsnee van 700 miljoen kilometer heeft en dat het hele sterren kan opslokken. Onze melkweg mag dan een normaal sterrenstelsel zijn (non-actief), maar dat wil nog niet zeggen dat er zich geen zwart gat in kan bevinden. In actieve sterrenstelsels zijn erg veel energetische processen, voor het grootste deel veroorzaakt door een zwart gat. Maar de materie waaruit die energie wordt gehaald raakt ook wel een keer op. Dan zal het sterrenstelsel er ondanks het zwarte gat normaal uitzien. Astronomen kunnen ook aantonen dat vlak na het ontstaan van het heelal er erg veel actieve sterrenstelsels waren. Het is daarom waarschijnlijk dat veel sterrenstelsels die wij nu normaal vinden vroeger actief zijn geweest en dus een zwart gat in hun centrum hebben. Hoe ontstaan zwarte gaten? Zwarte gaten zijn resten van dode sterren. Sterren ontstaan uit grote gaswolken die door de zwaartekracht samentrekken, in zo'n wolk gas loopt de druk zo op dat er kernfusie begint. Door die kernfusie dreigt de ster dus in te storten. Maar diezelfde kernfusie veroorzaakt ook een balans die de verdere instorting van de ster tegenhoudt. De kernfusie maakt eerst de lichtste elementen op. Daarna zal de ster samentrekken totdat de druk in de kern weer hoog genoeg om zwaardere elementen te fuseren. Wanneer en hoe dit proces eindigt hangt af van de grootte van de ster. Zon-achtige sterren storten in tot witte dwergen, kleine witte sterren die langzaam afkoelen. Grotere sterren storten in en ontploffen in een supernova waarbij de zware elementen worden gevormd. Wat er daarna nog van de grotere sterren overblijft is of een neutronenster of een zwart gat. Een ster die verandert in een zwart gat, kunnen wij niet meer zien. Alles wordt zo erg samengeperst dat zelfs het licht door de ster wordt gevangen, terwijl het geen massa heeft. Dat geeft maar aan hoe groot de zwaartekracht van zwarte gaten is. Een voorbeeld: de Eta Carinae, een ster die ongeveer 8000 lichtjaren van ons afstond en honderden keren zo groot was als de zon is rond 1850 v.C. geëxplodeerd. De Eta Carinae werd een supernova. De atmosfeer van een supernova implodeert en drukt de schil samen. Alles behalve een deel van de schil wordt de ruimte ingeblazen. Na de explosie weegt het overblijfsel meer dan 3 keer het de massa van de zon. Het overblijfsel implodeert steeds meer (de neutronen worden steeds verder op elkaar geperst). Alleen als het geïmplodeerde overblijfsel kleiner wordt dan de Schwarzschild straal (Rs), dat is een bepaalde straal die een ster moet hebben om een zwart gat te kunnen worden, verandert de Eta Carinae in een zwart gat. Hoe worden zwarte gaten waargenomen? Zwarte gaten worden op vijf manieren gevonden. De eerste vier manieren gelden alleen voor kleine zwarte gaten en de laatste is van toepassing op grote zwarte gaten. De eerste manier is met behulp van Röntgenstraling. Een zwart gat straalt Röntgenstraling uit door deeltjes zeer grote energie mee te geven. Astronomen kunnen die Röntgenstraling opsporen met Röntgenstralingtelescopen. Als er veel Röntgenstraling op een klein oppervlak voorkomt, kan het een zwart gat zijn. De tweede manier is roodverschuiving. Ik zal uitleggen wat roodverschuiving is aan de hand van een voorbeeld. Als bijvoorbeeld een politieauto langs je rijdt, hoor je wanneer de auto naar je toekomt een hoger geluid dan wanneer hij langs je komt en je hoort als hij van je weg rijdt een lager geluid (Dopplereffect). Roodverschuiving is precies hetzelfde, maar dan met licht. Licht dat van je af gaat lijkt een andere kleur te hebben dat het in werkelijkheid heeft. Een Röntgenstraal kan dus zichtbaar worden als hij erg wordt roodverschoven. De andere kant op, als het licht naar je toekomt en de frequentie lijkt hoger, heet blauwverschuiving. Bij blauwverschuiving kan zichtbaar licht eruit gaan zien als Röntgenstraling. Met behulp van de rood- en blauwverschuiving kunnen astronomen de draaisnelheid van een object in de ruimte uitrekenen (wat erg ingewikkeld is). Ze kunnen ook de massa van het object raden. Als het object meer dan 3 keer zo zwaar is als de zon en als het afval eromheen heel snel draait, zou het een zwart gat kunnen zijn. De derde manier is die van bewegende quasars. De techniek van rood- en blauwverschuiving wordt ook gebruikt voor het kijken naar quasars, mysterieuze, zeer felle objecten die ontzettend op sterren lijken. Ze zouden om zo'n grote hoeveelheid licht af te kunnen geven zo zwaar zijn als 10 miljoen zonnen. Er is nog iets vreemds met deze quasars. Ze bewegen onregelmatig. Hun diameter verandert heel snel. Door al die gegevens zou de quasar ontzettend groot en massief moeten zijn en hij zou sneller dan de lichtsnelheid moeten gaan en dat kan dus niet. Dus? Quasars moeten klein zijn en kunnen zodoende geen sterren zijn. Astronomen nemen aan dat het dus zwarte gaten zijn. De vierde manier is een “wiebelende ster” zoeken. In de astronomie is een veelvoorkomende term een "binair systeem". Dat zijn twee sterren die om elkaar heen draaien in een ingewikkelde baan. Soms zien astronomen een ster die zich gedraagt alsof hij in een binair systeem zit, maar de andere ster kunnen ze niet vinden. De zichtbare ster van het binaire systeem lijkt te "wiebelen". Het lijkt of de ster een baan rond een andere ster volgt, maar niemand kan de andere ster zien. Je zou zeggen: "simpel, die andere zogenaamde ster is een zwart gat!" Maar dat is niet zo simpel, want het kunnen ook andere dingen zijn. Het kan dat een van de "binaire sterren" de atmosfeer van de andere ster afneemt. De andere ster wordt dan een witte dwerg, een neutronenster of een zwart gat. Het kan ook voorkomen dat een ster aan het einde van z'n leven komt en het een supernova wordt. Het overblijfsel van die explosie kan weer een zwart gat worden, als het een massa heeft die groot genoeg is. Maar er is nog een mogelijkheid. Dat is een middenweg tussen de eerste en de tweede. Een ster in een binair systeem neemt de atmosfeer van de andere ster weg en wordt een supernova, maar geen zwart gat. De kracht van de explosie van de ene supernova kan de andere ster een supernova maken en... dat wordt wel een zwart gat. Door de massa van het onzichtbare deel van het binaire systeem te berekenen met behulp van de bewegingen van de zichtbare ster, kan worden gekeken of de partner van de zichtbare ster misschien een zwart gat is. De vijfde en laatste manier is alleen van toepassing op grote zwarte gaten en het betreft het uiterlijk van een sterrenstelsel. Een sterrenstelsel kan er spiraal- of bolvormig uitzien. Het interessante deel van een sterrenstelsel is de kern. De kern straalt heel veel deeltjes met een grote snelheid uit, en dat lijkt wel heel erg op een
zwart gat. Toen astronomen in de kern van een sterrenstelsel gingen kijken, zagen ze dat de sterren dicht bij de kern om iets onbekends draaiden dat heel erg snel bewoog. Uit berekeningen werd geconcludeerd dat de sterren om iets draaiden dat zo zwaar was als een paar miljoen zonnen, maar... Ze konden niets zien. De astronomen gingen ook andere sterrenstelsels bestuderen en het bleek dat ze allemaal een hele zware kern hadden. De kern was zwaarder naarmate het sterrenstelsel zelf ook zwaarder was. Die kern is waarschijnlijk een zwart gat. Zijn er verschillende soorten zwarte gaten? Ja, er zijn voor zover bekend drie verschillende soorten. Ten eerste zijn er de statische zwarte gaten, ook wel Schwartzschild zwarte gaten genoemd. Satellieten die rond de aarde cirkelen gaan net niet snel genoeg om zich uit hun baan te bevrijden en net niet langzaam genoeg om door de zwaartekracht op aarde te storten. Hoe dichter de baan zich bij de aarde bevindt, hoe sneller de satelliet moet bewegen om een constante omloopbeweging om de aarde te blijven maken. Voor zwarte gaten geldt dit ook. Op de plaats waar je een snelheid van 2,9979*108 m/s moet aannemen om in een baan rond het zwarte gat te blijven draaien, ligt de fotonsfeer. Omdat de lichtsnelheid altijd hetzelfde blijft, is dit bij een statisch zwart gat de enige plaats waar licht een omloopbeweging rond het zwarte gat kan beschrijven die in theorie oneindig voortduurt. In theorie, want in feite worden lichtstralen na een poosje door botsingen richting zwart gat of juist de ruimte in gelanceerd. Niets kan sneller bewegen dan licht. Als licht aan een zwaartekrachtveld niet meer kan ontsnappen, kan bijvoorbeeld een menselijk lichaam dat zeker niet. Op de plaats waar de ontsnappingssnelheid van een zwart gat gelijk is aan de lichtsnelheid bevindt zich de waarnemingshorizon. Binnen deze waarnemingshorizon kan niets maar dan ook niets meer aan het zwarte gat ontsnappen. Het wordt ook wel de event-horizon genoemd. Het tweede soort zwarte gat is het geladen zwarte gat, ook wel Reissner-Nordstrøm zwarte gaten genoemd. De fotonsfeer van een geladen zwart gat is gelijk aan die van een statisch zwart gat: het is de plaats waar lichtstralen door de zwaartekracht in een cirkelvormige baan om het zwarte gat kunnen draaien. De onderzoekers Reissner en Nordstrøm ontdekten dat een zwart met een lading twee waarnemingshorizons heeft: de bekende horizon krimpt een beetje in en er vormt zich een tweede, vlak boven de singulareit (de kern van het zwarte gat). Des groter de lading van een zwart gat, hoe kleiner de buitenste waarnemingshorizon en hoe groter de binnenste waarnemingshorizon. Als de lading een bepaalde waarde overschrijdt versmelten de beide horizons en bij nog grotere ladingen, verdwijnen ze zelfs. En tot slot zijn er nog de roterende zwarte gaten, alias Kerr zwarte gaten. Een roterend zwart gat heeft meerdere fotonsferen; omdat alles wat zich in de ruimte om het roterende zwarte gat bevindt meedraait, zijn er lichtstralen die "met de stroom mee" bewegen en stralen die "tegen de stroom in gaan". Met de stroom mee gaat altijd makkelijker en om die reden kunnen de meebewegende lichtstralen het zich permitteren om dichter bij het zwarte gat te cirkelen dan de stralen die tegen de draaibeweging in gaan. De ergosfeer komt alleen voor bij roterende zwarte gaten en is een ruimte, geen schil, die zich om het zwarte gat bevindt. Hierin is het onmogelijk, zelfs niet wanneer je de lichtsnelheid zou kunnen aannemen, stil te staan: net zoals bij de waarnemingshorizon van een statisch of een geladen zwart gat. Er is echter een belangrijk verschil: je kunt namelijk zonder problemen in en uit de ergosfeer bewegen. Aan de binnenkant van de ergosfeer liggen weer twee waarnemingshorizons zoals we ze kennen van de geladen zwarte gaten. Ook hier geldt: hoe sneller de draaibeweging, hoe dichter de twee horizons bij elkaar liggen. Net als bij geladen gaten kunnen ze bij een bepaalde snelheid te versmelten of zelfs te verdwijnen. Het gevolg van dit laatste is een "naakte" singulariteit. De singulariteit van roterende zwarte gaten is bijzonder omdat je bij een roterend zwart gat namelijk moeite doen om de singulariteit te raken. Je kunt er alleen in vallen door de singualriteit op het equatoriaal vlak te benaderen. Je zou dus, in theorie, een kijkje kunnen gaan nemen aan de andere kant van het zwarte gat: in de negatieve ruimte, de andere kant van ons universum. Maar dit type zwart gat zal niet in werkelijkheid voorkomen, omdat het te instabiel is. Wat gebeurt er als ik in een zwart gat val? We gaan er vanuit dat ik in mijn raket door de ruimte vlieg. Op een afstandje van het zwarte gat doe ik de motor uit. Langzaam word ik naar het zwarte gat getrokken. Ik zou me gewichtloos voelen, maar hoe dichter ik bij het zwarte gat kom, hoe meer ik van de zwaartekracht voel. Als ik die zwaartekracht goed voel zit ik op ongeveer 600.000 van de kern van het zwarte gat. Als ik verder weg ben is de zwaartekracht nog niet echt goed te merken. Ik zit dus op ongeveer 600.000 km afstand van de kern en ik heb het gevoel dat ik uitgerekt wordt. Mijn voeten zijn dichterbij de kern dan mijn hoofd. Dus wordt er harder aan mijn voeten getrokken. Als ik de event-horizon (een soort grens tussen het gebied om het zwarte gat, waaruit niks meer kan weg komen, en de rest van de ruimte) passeer en zo dicht bij het zwarte gat ben dat ik niet meer kan ontsnappen, kan het zijn dat ik de dingen die ver weg zijn iets anders zie. Dat is omdat het zwarte gat het licht buigt. Eenmaal over die grens kan ik alle dingen die buiten de grens zijn nog gewoon zien, omdat het licht mij wel kan bereiken. Maar iemand die naar mij zit te kijken zou mij steeds langzamer zien bewegen, omdat het licht moeilijk kan ontsnappen. Ze zouden mij nooit over de grens zien gaan, maar ik zou als bevroren blijven hangen net voor de grens. Mijn reis van de grens naar de kern van het zwarte gat zal ongeveer 7 seconden duren. Ik ga er dan wel vanuit dat ik in een groot zwart gat ben gevallen. Zou ik in een zwart gat vallen dat ooit zo groot was als onze zon, dan zou ik op 6000 km van de grens al uit elkaar gerukt zijn. Door in het grote gat te springen leefde ik tenminste nog toen ik de grens over ging. Maar niet lang daarna zou de zwaartekracht mij toch uit elkaar hebben gereten. Het is dus een duidelijke zaak dat je niet in een zwart gat moet springen als je graag in leven wilt blijven.
Hoe verdwijnen zwarte gaten? Zwarte gaten slokken alles wat ze tegenkomen op, daardoor worden ze nog zwaarder en dus groter. Toch verdwijnen zwarte gaten ook weer, omdat ze verdampen. Het duurt wel heel lang voor een zwart gat weg is, maar toch. Door de straling die het zwarte gat afgeeft is het zwarte gat sterfelijk. Door de afgifte van die straling verliest het zwarte gat gewicht (dat komt vooral doordat het zwarte gat energie verliest door het omzetten van deeltjes in ruimte.) Het gat wordt daardoor kleiner. Hoe kleiner het wordt, hoe meer straling het afgeeft en daardoor wordt het weer kleiner. Deze straling wordt Hawking straling genoemd, naar Stephen Hawking die het heeft bedacht. Aan het einde van zijn 'leven' (in de laatste seconde) verliest het al z'n energie, die hetzelfde is als een miljard waterstofbommen van een megaton (100.000.000.000 kg). Na die uitbarsting is het zwarte gat er niet meer... Wat zijn wormholen en witte gaten? Wormholen zijn helaas meer sciencefiction dan werkelijkheid. Een wormhole is een zogenaamde opening in de ruimtetijd. Dat betekent dat je ze zou kunnen gebruiken om naar hele verre plaatsen te reizen in een hele korte tijd. Het zou dan bijvoorbeeld mogelijk worden om astronauten naar bijvoorbeeld Saturnus te laten reizen. De wormhole op zich bestaat uit twee zwarte gaten. Die worden verbonden door een soort buis. Die buis wordt ook wel de Einstein-Rosen bridge genoemd en daar zou je dus door heen kunnen reizen. Het is alleen nooit bewijzen dat wormholes bestaan en het is nogal moeilijk om experimenten uit te voeren die dat aantonen. Witte gaten zijn precies het tegenovergestelde van een zwart gat. In plaats van dat het alle materie aantrekt, spuugt het juist van alles uit. Als je er dicht in de buurt zou komen werd je dus gewoon weggedrukt. Een wit gat bezit een hele sterke omgekeerde aantrekkingskracht. Wiskundig zouden witte gaten kunnen bestaan, maar in de werkelijkheid bestaan ze naar alle waarschijnlijkheid niet. Bronvermelding Ik heb alleen maar internetpagina’s gebruikt voor dit verslag. Ik weet helaas de titels van de artikels niet meer omdat ik dit heb gemaakt toen ik de deelvragen en hoofdvraag al beantwoord had en ik had alleen de internetadressen genoteerd. Engelse sites: http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l2/black_holes.html
http://cosmology.berkeley.edu/Education/BHfaq.html
http://cnn.com/TECH/space/9909/09/blackholes.ap/index.html
http://www.space.com/science/astronomy/radiojets_991025.html
Nederlandse sites: http://huizen.dto.tudelft.nl/deBruijn/chap3/zwartgat.htm
http://icar-srvr.stsci.edu/~marel/zwartegaten.html
http://www.phys.uu.nl/~verbunt/zwartgat/ http://gene.wins.uva.nl/~tcoenen/zwartgat/zwartga3.html
http://www.blackholes.myweb.nl/zwartgat.html
http://www.science.uva.nl/onderwijs/wns/onderwijsCD/sterrenkunde/syllabus/jsindex.html Slot Ik ben tot de conclusie gekomen dat zwarte gaten rare dingen zijn. Ze zijn het resultaat van een dode ster en pakken alles wat ze krijgen kunnen. Het is moeilijk om te bevatten dat ze zelfs het licht kunnen vangen. Ik vind het erg knap dat astronomen een manier hebben gevonden om ze waar te nemen en dat ze die ingewikkelde berekeningen snappen. Want die zijn voor mij toch echt onbegrijpelijk. Het is wel jammer dat wormholen (naar alle waarschijnlijkheid) niet echt bestaan, want dat zou toch wel heel handig zijn. Door middel van wormholen zouden mensen het hele heelal kunnen verkennen. Ik moet er ook niet aan denken dat ik in een zwart gat terecht zou komen. Het gevoel dat je aan een brug hangt met alle inwoners van New York aan je voet lijkt me niet zo prettig. Ik vond de excursie naar de sterrenwacht in Lattrop heel erg leuk. Ik was er al een keertje geweest, maar dat is al wel een paar jaar geleden. Vooral het planetarium vond ik erg interessant.