Zwart gat

E

Onderzoek

Voor zover bekend zijn er in het heelal alleen zwarte gaten die zijn ontstaan uit ingestorte sterren, maar misschien bestaan er ook wel zwarte gaten zo groot als atomen of nog kleiner; of ze hebben ooit bestaan, bijvoorbeeld vlak na de oerknal. Die zouden dan nog steeds behoorlijk zwaar zijn, als je bedenkt dat een zwart gat van slechts een of een paar centimeter al evenveel zou wegen als de hele Aarde! In de Large Hadron Collider in Zwitserland wordt onder andere gekeken of zulke zwarte gaten echt kunnen ontstaan als kwantumdeeltjes op elkaar botsen. Zulke kleine zwarte gaten zouden vrijwel meteen verdampen door de hawkingstraling.

Er is onderzoek gedaan naar waar alle materie en energie die wordt opgezogen door een zwart gat, naartoe gaat. Het schijnt dat het zwarte gat één dieptepunt heeft waar alles zich ophoopt. Dit wordt een singulariteit genoemd.

Classificering (Indeling naar type)

Zwarte gaten zijn tot dusver te verdelen in vier categorieën:

• Minuscule zwarte gaten: dit zijn zwarte gaten die een gewicht (massa) hebben van grofweg 0,02 milligram (0,002 gram), tot die van ongeveer onze maan (73.500.000.000.000.000.000.000 kilogram). Deze categorie zwarte gaten is tot dusver volledig theoretisch: er is een vermoeden dat ze bestaan, maar er is nog geen bewijs gevonden dat dat ook zo is. Wat wél bewezen is: er ontsnappen deeltjes die net buiten de aantrekkingskracht van het zwarte gat liggen. Dit is de zogeheten Hawkingstraling: vanaf een zekere afstand van een zwart gat (net buiten de horizon/grens van dat zwarte gat) kunnen die deeltjes wel ontsnappen. Daardoor verdampt het zwarte gat op den duur, of lost het op, afhankelijk van de omvang (grootte) ervan. Dit betekent dat zulke kleine/minuscule zwarte gaten binnen enkele seconden, of zelfs nog sneller, verdampen en dan dus niet meer bestaan. Een theorie, of denkwijze, over het ontstaan van zulke zwarte gaten is, dat aan het begin van ons universum, kort na de oerknal, er een enorme externe druk (druk van buitenaf, alsof je een pakje drinken samenperst) aanwezig was. Daardoor konden ze zijn ontstaan en vermoedelijk ook zeer snel weer zijn verdampt/verdwenen. Doordat ze gecreëerd zijn door externe druk (druk van buitenaf), is het in theorie mogelijk zulke minuscule zwarte gaten zelf te produceren. Dit zou dan kunnen via de Large Hadron Collider (een ondergrondse deeltjesversneller op de grens van Frankrijk en Zwitserland bij Genève). Deze vuurt namelijk minuscule deeltjes op elkaar af, waardoor die ontploffen en er (nog) kleinere deeltjes ontstaan. Er ontstaat ook enorm veel druk hierdoor, waardoor zo'n minuscuul zwart gat zou kunnen ontstaan.
• Stellaire zwarte gaten: dit zijn zwarte gaten die ontstaan zijn uit een supernova. Dit soort zwarte gaten heeft een massa (gewicht) van ongeveer 5 tot 100 zonmassa's [2].
• Middelgrote zwarte gaten: dit zijn zwarte gaten met een massa van ongeveer 500 tot 1000 zonmassa's. Over dit soort zwarte gaten is niet veel bekend. Dit is namelijk een tussenklasse.
• Superzware zwarte gaten: dit zijn de grootste zwarte gaten die wij tot dusver hebben kunnen waarnemen. Deze zwarte gaten hebben een massa van ongeveer vijftigduizend tot vele miljoenen zonmassa's. Door de enorme zwaartekracht van zulke zwarte gaten, zal de tijd in theorie stil kunnen staan in de directe omgeving van zo'n enorm zwart gat.

Invloed op de ruimte

Zwarte gaten zijn zo enorm zwaar, dat zij een invloed hebben op de omgeving (de ruimte). Onze aarde heeft een bepaalde zwaartekracht, een kracht die continu aan jou trekt. Zwarte gaten hebben in tegenstelling tot de aarde geen oppervlak om op te staan, maar wel een zwaartekracht die duizend maal sterker is dan waar wij mee te maken hebben. De invloed die een zwart gat uitoefent op de omgeving, de ruimte, is te vergelijken met wanneer je een bowlingbal op een onopgespannen tafelkleed legt. De kuil die hierdoor ontstaat is alleen in een zwart gat vele malen extremer. Vanaf een bepaald punt - astronomen noemen dit ook wel de waarnemingshorizon van een zwart gat - is het zwarte gat zo stijl, dat je er niet meer uit kunt komen. Er is zo'n grote zwaartekracht aanwezig, dat je als het ware het zwarte gat wordt ingezogen en er niet meer uit kunt komen.

De kromming van de ruimtetijd door massa (de aarde in dit voorbeeld) en energie. Door de kromming van de ruimtetijd is het raster als het ware vergroot/verbreed, hierdoor verloopt tijd veel langzamer rondom zware objecten [1].

Volgens Albert Einstein's algemene relativiteitstheorie bestaat ons universum uit een soort vierdimensionaal raster dat wordt beschreven als ruimtetijd. Wij als mens kunnen alleen een driedimensionaal systeem zien, namelijk LxBxH (lengte x breedte x hoogte), ook wel een locatie of plaats genoemd. Er is bewezen dat er een hogere orde dimensie bestaat, namelijk een vierde dimensie: tijd. Tijd kunnen wij alleen niet zien, maar wel waarnemen. De algemene relativiteitstheorie legt uit dat tijd en ruimte (de voor ons drie zichtbare, samen met de vierde dimensie: tijd) met elkaar verweven zijn in één structuur, of raster: ruimtetijd. Over 30 jaar worden we opgeslokt en is iedereen dood.

Tijdreizen

Veel mensen, zowel wetenschappers als jij en ik, zijn enorm benieuwd naar de oude vraag: is tijdreizen mogelijk? Tot dusver is er geen concreet bewijs dat je in een moment in het verleden of de toekomst kunt stappen. Wel is onder andere dankzij Einstein bewezen dat je relatief makkelijk de toekomst in kunt reizen. In de natuurkunde en astronomie wordt dit ook wel de ''Twin-paradox'' genoemd. Stel jij hebt een tweeling. Jij gaat met een raket naar de dichtstbijzijnde ster (op de zon na) met een zeer hoge snelheid, dan verloopt de tijd langzamer voor jou. Volgens de speciale relativiteitstheorie verloopt de tijd langzamer voor de desbetreffende waarnemer die met een zeer hoge snelheid reist of voor de waarnemer die reist in een omgeving met een zeer hoge zwaartekracht.

Om terug te komen op de ''Twin-paradox'', als jij met een zeer hoge snelheid reist, met bijvoorbeeld 99,9% van de snelheid van het licht, dan tikt jouw klok 4,5% zo snel, dus 95,5% langzamer, dan de klok van jouw tweeling die nog op de aarde is. Tijd verloopt voor jou veel en veel langzamer. Na 5 jaar, ben jij 5 jaar ouder, maar is jouw tweeling 110 jaar ouder [3].

Over het terugreizen in de tijd is nogal veel onduidelijk, zo zijn er alleen theorieën over hoe en wat. Zo zeggen bepaalde wetenschappers, dat je de kromming van de ruimtetijd rondom een zwart gat kunt gebruiken om de tijd voor de waarnemers in een cirkel te buigen. Hierdoor kun je terug in de tijd reizen [4].

Ook zijn er theorieën hoe je in de 4e dimensie kunt komen. Wij kunnen alleen een 3e zien (locatie of plaats) en de 4e alleen waarnemen (tijd). Het kan dat wanneer je in een zwart gat belandt, je in die 4e dimensie kunt komen en dus volledige controle en zintuigelijke waarneming hebt van tijd. Ook is er de mogelijkheid om in een bepaalde baan rondom een zwart gat te reizen, waardoor op een moment de tijd achteruitgaat, als gevolg van de enorme zwaartekracht en buiging van de ruimtetijd. Dit is allemaal speculatie (nog nooit getest), omdat de mens nog nooit dichtbij of in een zwart gat is geweest.

Temperatuur en entropie

Als je een scheutje melk in je koffie giet, neemt de entropie in je kopje toe wanneer de melk zich verspreidt door de koffie. Daarom gebeurt dit spontaan. De overige natuurwetten verbieden niet dat die melk zich uit de koffie weer spontaan samentrekt tot een scheutje pure melk. Maar omdat daarbij de entropie zou afnemen, zie je dit nooit gebeuren.

In 1970 redeneerde/bedacht Jacob Bekenstein dat zwarte gaten een zeer hoge mate van entropie (chaos, mate van waarschijnlijkheid) moesten of konden hebben. Hoe groter de chaos, hoe groter de entropie. Dit met de gedachte dat er entropie is in het gebied buiten de waarnemingshorizon, wanneer er materie en energie het zwarte gat wordt ingezogen. Dit idee werd verworpen/afgekeurd, omdat men dacht dat alles wat in een zwart gat belandt, voorgoed is verdwenen, en daarmee ook de entropie.

Vier jaar later, in 1974, ontdekte Stephan Hawking, door het observeren van fotonenparen (licht/energiedeeltjes) nabij de waarnemingshorizon van een zwart gat, waarvan er één in het zwarte gat verdween, terwijl de ander juist verder weg werd geslingerd - dat zwarte gaten wel degelijk straling (de Hawkingstraling) uitzenden en sterker nog, een temperatuur hebben die boven het absolute nulpunt (0 Kelvin of −273,15 graden Celsius ligt. Nu hij dit kon meten, bewees hij hiermee, dat er ook sprake moet zijn van entropie in zwarte gaten. Die entropie schijnt volgens formules en berekeningen enorm hoog te zijn.

Hawking kwam ook tot de conclusie dat naarmate een zwart gat minder massa heeft, het een hogere temperatuur heeft en meer straling uitzendt (Hawkingstraling).

Zie ook

https://www.scienceinschool.org/nl/2013/issue27/blackholes

Voor informatie en practica (onderzoekjes) die je kunt uitvoeren :).