Zwarte Gaten

Motivatie Voor het algemene vak Algemene Natuurwetenschappen kregen wij de opdracht om een praktische opdracht te maken van een onderwerp naar keuze. Eerst wilde ik een werkstuk maken over de het punt waar mythe en wetenschap samenkomen, maar toen ik eenmaal informatie en boeken daarover begon door te nemen leek het me een toch ietwat te moeilijk en hooggegrepen onderwerp. Vandaar dat ik naderhand heb besloten voor een makkelijker onderwerp te kiezen. Mijn onderwerp heeft te maken met het heelal en dat is iets waar ik als kind altijd al in geïnteresseerd was. Toen ik 8 jaar was las ik alle boeken over het heelal door en wist ik vrij veel van het heelal af. Nog steeds ben ik geïnteresseerd in het heelal en alles daaromheen en vandaar dat ik voor dit onderwerp heb gekozen. Zwarte gaten, daar wist ik vrij weinig vanaf en het is een onderwerp waar ik graag meer van wilde weten, vandaar dat ik voor dit onderwerp gekozen heb. Voor het maken van deze opdracht heb ik verschillende wetenschappelijke boeken en sites over het heelal doorgespit. Ik hoop u hiermee voldoende te informeren over het fenomeen zwarte gaten. Dus bij deze presenteer ik mijn Praktische Opdracht ANW: Het mysterie van de zwarte gaten

Inleiding AL sinds mensenheugenis heeft men opgekeken naar de hemel en zich afgevraagd wat er zich bevindt. Het heelal speelde in oude beschavingen al een grote rol in de wetenschap. Ook in de moderne wetenschap is er veel over het heelal ontdekt. Het heelal is echter zo onvoorstelbaar groot, dat er nog vele mysteriën in haar verborgen zijn. 1 van die Mysteriën is het bestaan Zwarte Gaten. Dat zijn ‘zwarte gaten’ in het heelal met zo’n grote aantrekkingskracht dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen, als we de wetenschappers mogen geloven. Wat zijn eigenlijk Zwarte Gaten? Hoe ontstaan ze? Zijn er verschillende soorten zwarte gaten? Hoe kunnen ze waargenomen worden? En hoe verdwijnen ze weer? Het zijn de vragen omtrent het fenomeen Zwarte gaten die ik zal proberen te beatwoorden in mijn Praktische opdracht. Veel plezier.

1. Wat zijn zwarte gaten? Een zwarte gat is een object dat aantrekkingskracht uitoefent op andere objecten in de ruimte. In principe is het zo dat alle objecten in de ruimte elkaar aantrekken. De mate waarin en hoe dat gebeurt, wordt bepaald door de zwaarte van de objecten en de snelheid waarmee ze bewegen. Als bv het lichtste object geen snelheid heeft, dan zal het naar het zwaarste object toe worden getrokken en te pletter storten. Heeft het lichtste object echter wel snelheid dan zouden er 3 gevallen zich kunnen voordoen namelijk : 1. Alsnog te pletter storten, vanwege een te geringe snelheid. 2. Het zou net als bv. de planeten om de zon, in een baan rond het zwaarste object gaan draaien. 3. Het lichste object kan van het zwaarste afbewegen. Voor het laatste geval is er een ontsnappingssnelheid nodig. Het lichtste object moet dus zo snel zijn, opdat ze niet naar het zwaarste object word getrokken. Nu zijn er objecten in de ruimte die ten opzichte van hun massa zo zwaar zijn, dan zelfs licht ( die geen massa heeft) er niet aan kan ontsnappen. Een heel erg merkwaardig verschijnsel. Deze objecten worden zwarte gaten genoemd, vanwege het bovenstaande verschijnsel dat licht er niet aan kan ontsnappen. In de astronomie heeft het dan ook lang geduurd voordat zwarte gaten werden ontdekt, omdat ze in feite onzichtbaar zijn. Hoe zwarte gaten ontdekt worden zal later in dit werkstuk aan de orde komen. Het idee van het bestaan van zwarte gaten ontstond in de 18e eeuw. Toen dit idee steeds verder werd uitgewerkt en onderzocht kwam men tot de conclusie at zwarte gaten wel echt zouden kunnen bestaan en dat ze bestonden uit oude dode sterren. Degene die het bewijs leverde voor het bestaan van Zwarte gaten was de meeste bekende professor en geleerde ooit, namelijk Albert Einstein. Zwarte gaten hebben ook een paar merkwaardige eigenschappen vanwege de enorme zwaartekracht. Zo heeft een zwart gat namelijk een soort grens, waar de ontsnappingssnelheid en de snelheid van het licht hetzelfde zijn, op het moment dat iets, zelfs licht, die grens passeert kan het niet meer ontsnappen en zal het dus naar het zwarte gat getrokken worden. Het andere opmerkelijke punt is de singulariteit. Dat is het middelputn van het zwarte gat en daar word alles naar toe getrokken. Een zwart gat slokt als het ware alles op wat er naar toe word getrokken. Er zijn astronomen die zelfs menen dat er in ons melkwegstelsel een zwart gat bevindt met een doorsnede van ruim 700 miljoen kilometer. Die zelfs hele sterren kan opslokken. Het feit dat ons melkwegstelsel non-actief is wil dus niet zeggen dat er geen zwarte kunnen bestaan daarin. In actieve sterrenstelsels zijn er veel energetische processen die veroorzaakt worden door een zwart gat. Maar de materie waaruit die energie gehaald wordt raakt op een gegeven moment op. Dan zal het sterrenstelsel er ondanks het zwarte gat normaal uitzien. Astronomen hebben aangetoond dat en in het begin van het heelal erg veel actieve sterrenstelsels waren. Vandaar dat non-actieve sterrenstelsels nog steeds een zwart gat als centrum hebben.

Hoe ontstaan zwarte gaten ? Zwarte gaten zijn overblijfselen van dode sterren. Sterren ontstaan uit grote gaswolken die elkaar aantrekken. Op die manier wordt de druk in zo’n gaswolk zo erg opgevoerd dat er een kernfusie plaatsvindt. Vanwege de kernfusie dreigt de ster ineen te storten, maar diezelfde kernfusie zorgt er tevens dat de ster in evenwicht blijft. De kernfusie verbruikt eerst de lichtste elementen en daarna zal de ster weer samentrekken totdat de druk door de kernfusie hoog genoeg is om zwaardere elementen te fuseren. Dit proces gaat net zo lang door totdat de ster ‘sterft’. Wanneer dit proces ophoudt hangt af van de grootte van de ster. Sterren, die ongeveer zo groot zijn als de zon, storten in tot witte dwergen, dat zijn kleine witte sterren die langzaam afkoelen. Grotere sterren storten in en ontploffen in een supernova, waarbij de zware elementen gevormd worden. Wat er daarna van ze overblijft is een neutronenster of een zwart gat. Een ster die in een zwart gat verandert kunnen wij niet meer zien. Ik zal van het ontstaan van een zwart gat een voorbeeld geven. 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 kan men Zwarte gaten waarnemen? Er zijn verschillende methodes om zwarte gaten waar te nemen. Ik heb hier de 4 makkelijkste gevonden. De eerste 3 manieren gelden alleen voor kleine zwarte gaten en laatste voor grote zwarte gaten. De eerste manier om een zwart gat op te sporen is door middel van Röntgenstraling. Zwarte gaten stralen Röntgenstraling uit door kleine deeltjes zeer veel energie mee te geven. Astronomen kunnen met behulp van Röntgentelescopen röntgenstraling waarnemen. Als er dus zeer veel Röntgenstraling op een klein oppervlak voorkomt zou het kunnen dat het een zwart gat is. 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 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 de kern van een sterrenstelsel gingen bestuurden, 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, ze konden echter 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 ? En zijn tot nu toe 3 verschillende soorten zwarte gaten ontdekt. Ten 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 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 moet doen om de singulariteit te raken. Je kunt er alleen in vallen door de singulariteit op het equatoriaal vlak te benaderen.

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. 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 bestaat het zwarte gat niet meer.

Conclusie Ik ben tot de conclusie gekomen wat zwarte gaten precies zijn. Het zijn uitgestorven sterren met een enorme massa en gewicht, die zo’n grote zwaartekracht hebben dat niets eraan kan ontsnappen, zelfs licht niet. De manieren om zwarte gaten te vinden zijn er wel
zker weten meer, alleen was het te moeilijk om ze allemaal toe te lichten. Er 3 verschillende soorten zwarte gaten, met elk kenmerkende eigenschappen. En zwarte gaten zijn ook sterfelijk doordat ze door hun straling energie kwijt raken.

Reflectie Zoals ik al in de motivatie had laten weten, heb ik me altijd al voor het heelal gefascineerd. Het onderwerp Zwarte gaten, daar wist ik weinig vanaf en daarom wilde ik hier me opdracht over maken. Ik vind het nog steeds een ingewikkeld onderwerp. In mijn werkstuk staat alle informatie die ik belangrijk achtte over dit onderwerp. Toen ik mijn bronnen verzameld had snap ik er werkelijk niets van en nu snap ik het slechts een beetje. Voor mijn werkstuk heb ik vooral veel Amerikaanse bronnen gebruikt.En wetenschappelijke Engelstalige bronnen zijn toch wel moeilijk. Toch vond ik het een leuke opdracht en heb ik er wel aardig wat tijd in gestoken. En ik weet nu ook weer iets meer over het heelal. Zelf vond ik de informatie moeilijk te snappen. Misschien omdat ik totaal niet wiskundig aangelegd ben, en ik beter in talen ben. Maar ik hoop dat het toch wel goed is. Tijdens het maken heb ik vooral de info van de sites samengevat en geprobeerd de belangrijkste informatie goed weer te geven. Achteraf gezien ben ik er persoonlijk wel tevreden over, maar ik hoop dat ik volgend jaar een ander onderwerp mag nemen, het liefst iets dat met de wetenschap der taal te maken heeft. Want daar ben ik nu eenmaal gewoon beter in en kan ik nog mooiere werkstukken over maken. Verder wil ik mijn dank verder betuigen aan mevr Korswagen, omdat zij de moeite zal nemen voor het corrigeren en nakijken van mijn werk. Hierbij kom ik tot het einde van mijn werkstuk.

Bronnen - 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 - Wereld Der Wetenschap het oneindige heelal