Lezers stellen ons nu en dan vragen over astronomie gerelateerde onderwerpen. Een van die vragen is: Wat zijn zwarte gaten? Hieronder ons antwoord.

Zwarte gaten zijn mysterieus, maar cruciaal voor ons begrip van de kosmos. Er zijn nog veel vraagtekens met betrekking tot zwarte gaten en wetenschappers zijn nog dagelijks bezig om meer geheimen te ontrafelen. Gelukkig is er ook al veel bekend over zwarte gaten en in dit artikel zetten we aantal zaken op een rijtje. 

Zwarte gaten zenden geen licht uit. De zwaartekracht in een zwart gat is zo sterk dat niets er uit kan ontsnappen. Zwarte gaten zijn daarom onzichtbaar voor telescopen. Toch weten we wel waar zwarte gaten zijn omdat ze hun omgeving beïnvloeden. Door afwijkingen in de kosmos te analyseren kunnen we locaties van zwarte gaten bepalen.

Zo worden zwarte gaten vaak omringd door ringen van gas en stof, zogenaamde accretion disks. Deze ringen die dus buiten het zwarte gat zijn zenden wel licht en röntgenstraling uit. Ook kunnen zwarte gaten de banen van een sterren die ‘in de buurt’ staan beïnvloeden waardoor die op een bepaalde afwijking krijgen. Astronomen kunnen die afwijkingen meten. 

Daarnaast kunnen grote en zware zwarte gaten licht van verre objecten afbuigen en vervormen. Dit effect wordt gravitational lensing genoemd. Astronomen kunnen zo de locatie van zwarte gaten traceren. Tenslotte kunnen we zwarte gaten ook traceren door gravitatiegolven. Deze golven veroorzaken rimpelingen in de ruimte-tijd die we met detectoren kunnen waarnemen.

Een zwart gat ontstaat als bijvoorbeeld een grote ster aan het einde van zijn levenscyclus explodeert en ineenstort onder zijn eigen zwaartekracht. Er ontstaat nu een punt waarin de dichtheid oneindig groot is en het volume oneindig klein. Dit punt noemen we een singulariteit. In dit punt houden ruimte en tijd op te bestaan en zijn de wetten van de natuurkunde feitelijk niet meer toepasbaar.

Astronomen delen zwarte gaten in op basis van hun massa.

Stellar-Mass zwarte gaten

Deze zwarte gaten hebben ongeveer 3 tot 100 keer de massa van de zon en ontstaan als een zware ster (minstens acht keer de massa van de zon) aan het einde van zijn levenscyclus instort. Deze zwarte gaten hebben een straal van enkele tientallen kilometers en zijn erg klein.

Intermediate-Mass zwarte gaten

Deze zwarte gaten hebben een massa van 100 tot 100.000 keer de massa van de zon. Zij kunnen ontstaan als kleinere zwarte gaten samensmelten of het ineenstorten van zeer zware sterrenclusters.

Supermassive zwarte gaten

Deze zwarte gaten hebben een massa die miljoenen tot miljarden keer zo groot is als de massa van de zon. De straal van dergelijke zwarte gaten kan variëren van enkele miljoenen tot miljarden kilometers. Dergelijke zwarte gaten bevinden zich in de kernen van grote sterrenstelsels. Het zwarte gat in het centrum van ons eigen sterrenstelsel, Sagittarius A heeft een massa van 4 miljoen keer de massa van de zon en is een relatief klein supermassive zwart gat.

In het centrum van het zwarte gat vinden we de singulariteit. Dit is een theoretisch punt met oneindige dichtheid. Daarom heen vinden we cirkelvormig gebied, de event horizon. In dit gebied heb je de snelheid van het licht nodig om te kunnen ontsnappen. Omdat niets sneller dan het licht gaat is dit feitelijk het zwarte gat. Alles wat hier in zit kan niet meer ontsnappen en wordt aangetrokken door het punt van singulariteit. Wanneer nieuwe materie in het gebied van de event horizon komt en wordt opgeslokt (accretie), wordt de massa van het zwarte gat groter en zal het zwarte gat verder uitdijen. 

Soms slokt een zwart gat een ander zwarte gat op. De event horizon zal dan groter worden met een straal die groter zal zijn dan elk van de oorspronkelijke zwarte gaten.

Rond de event horizon vinden we de accretion disk. Dit is een gloeiend hete schijf van gas en materie die supersnel ronddraait en richting de event horizon spiraliseert. Deze disk is ook de belangrijkste lichtbron van een zwart gat. Het materiaal is gas of materie dat uit een ster wordt gezogen die te dichtbij komt.  De materie beweegt zich van buiten naar binnen door de schijf waarna het in de event horizon valt.

Zwarte gaten die in hun omgeving alles hebben opgeslokt hebben geen accretion disk en zijn dus heel moeilijk te vinden.

Soms worden er stralen van elektromagnetische deeltjes waargenomen die juist van het zwarte gat afschieten. Dit gebeurt met bijna de snelheid van het licht en de jets kunnen duizenden lichtjaren lang zijn.  Deze particle jets ontstaan soms als materie bijna op het punt staat om in de event horizon te verdwijnen, maar het mechanisme er achter wordt nog niet begrepen, maar magnetisme speelt zeer waarschijnlijk een belangrijke rol.

De enorme zwaartekracht die er heerst in een zwart gat zorgt er niet voor dat alles opgezogen wordt dat langs een zwart gat trekt. Dit is afhankelijk van de massa van het zwarte gat. Als we de zon zouden vervangen door een zwart gat met dezelfde massa als de zon, zouden de aarde en alle andere planeten gewoon door blijven cirkelen om het zwarte gat. Zou het zwarte gat echter veel groter zijn dan wordt het natuurlijk een ander verhaal.

Het grootste bekende zwarte gat, TON 618, heeft een massa van 66 miljard keer de zon! Als TON 618 op de plek van de zon zou staan, zou ons complete zonnestelsel worden opgeslokt. Om een gevoel te krijgen van de grootte: de event horizon van TON 618 zou een straal hebben van 1300 astronomische eenheden (AE). Pluto het meest verre en bekende object van ons zonnestelsel staat op 40 AE van de zon. TON is zo 618 maal zo groot als ons zonnestelsel!

We zijn natuurlijk nog nooit bij een zwart gat geweest en wat er precies gebeurt als je er in terecht komt is onmogelijk te zeggen, maar er zijn wel theorieën over. Bijvoorbeeld over de tijd. Volgens de relativiteitstheorie van Albert Einstein wordt tijd beïnvloed door de zwaartekracht. Hoe sterker de zwaartekracht, hoe langzamer de tijd verloopt. In de buurt van een zwart gat, waar de zwaartekracht extreem sterk is, verloopt de tijd dus veel langzamer in vergelijking met een gebied verder weg van het zwarte gat. Voor een externe waarnemer die ver weg is van het zwarte gat, lijkt de tijd voor een astronaut bij een zwart gat extreem langzaam te verlopen. Als de astronaut één uur doorbrengt nabij de event horizon, zal dit voor de externe waarnemer gelijkstaan aan vele jaren.

Een bekende uitdrukking die in combinatie met zwarte gaten wordt gebruikt is spaghettificatie. Hiermee wordt bedoeld dat een object extreem wordt uitgerekt en vervormd door getijdenkrachten. In een zwart gat zijn de verschillen in zwaartekracht enorm groot. De zwaartekracht aan de kant van het object die dichter bij het zwarte gat is, is veel sterker dan de zwaartekracht aan de kant die verder weg is.

Door deze verschillen in zwaartekracht wordt het object uitgerekt langs de as die naar het zwarte gat wijst en samengedrukt langs de andere as. Dit zorgt ervoor dat het object wordt uitgerekt tot een lange, dunne vorm, vergelijkbaar met een spaghettisliert.

Lees ook in deze serie:

Hoe groot is de kans op buitenaards leven?

Waarom willen we naar Mars?

Wat is zwaartekracht en hoe werkt het?

Wat is het nut van ruimtevaart?