Hoe ontstaat een zwart gat?

Zwarte gaten zijn fascinerende astrofysische objecten. Een eeuw lang hebben deze ontdekkingen het grote publiek en natuurkundigen over de hele wereld verbaasd, die ze nog steeds met grote belangstelling bestuderen. Een overgebleven mysterie is de samenstelling ervan, die vandaag de dag nog steeds slecht wordt begrepen.

Wat is een zwart gat?

Het concept van een zwart gat gaat terug naar Frankrijk, naar Pierre-Simon de Laplace (1796), die zich afvroeg of het mogelijk was dat een object zo dicht was dat zijn ontsnappingssnelheid (de minimale snelheid om zichzelf te bevrijden van de zwaartekracht van een ster) ) is groter dan de lichtsnelheid (ongeveer 300.000 km/seconde).

Ontsnappingssnelheid is de snelheid die een object nodig heeft om aan de zwaartekracht van de ster te ontsnappen. Op aarde is de ontsnappingssnelheid 11,3 km/s (ongeveer dertigduizend keer minder dan de lichtsnelheid), wat betekent dat een object als een raket deze snelheid moet bereiken om de ruimte in te kunnen ontsnappen.

Als de massa van de aarde geconcentreerd zou zijn in een bol met een straal van ongeveer 9 mm, zou de zwaartekracht veel groter zijn, waardoor licht zou worden vastgehouden. Het is dus noodzakelijk om een ​​ster te hebben die veel dichter is dan de aarde om het licht op te vangen.

Dit idee werd in 1916 naar voren gebracht, een jaar nadat Einstein zijn algemene relativiteitstheorie publiceerde, door de Duitse natuurkundige Karl Schwarzschild: hij toonde aan dat een object met voldoende dichtheid kon voorkomen dat er licht uit ontsnapt.

Als materie of licht zich binnen de waarnemingshorizon van een zwart gat zou bevinden, zou het niet kunnen ontsnappen: deze horizon is het ‘maximum’ van het zwarte gat. Het is het oppervlak van de bol waarvan de straal de Schwarzschild-straal wordt genoemd (wat daarom het “volume van het zwarte gat” is). Deze straal is evenredig met de massa van het object en is erg klein: een zwart gat met een massa vergelijkbaar met die van de zon zou een straal hebben van ongeveer 3 km (vergeleken met 700.000 km voor de zon).

Lees verder

Dankzij de ontwikkeling van observatietechnieken is het tegenwoordig mogelijk geworden om een ​​zwart gat te fotograferen. Dit is bijvoorbeeld een afbeelding van het zwarte gat in het centrum van ons sterrenstelsel, Boogschutter A*.

Verschillende scenario’s voor de vorming van zwarte gaten

Het is moeilijk om te weten hoe een zwart gat is ontstaan. Er zijn echter verschillende scenario’s voor de vorming van zwarte gaten, afhankelijk van de massaklasse van het zwarte gat.

Als er een zwart gat bestaat met een massa die vergelijkbaar is met die van de zon, hebben we het over een stellair zwart gat. Deze zwarte gaten worden gevormd als gevolg van het instorten van een ster aan het einde van zijn leven. Wanneer een ster alle waterstof in zijn kern omzet in helium, wordt de zwaartekracht sterker dan de druk die het materiaal naar buiten duwt, en stort het materiaal onder zijn eigen gewicht in elkaar. De kern wordt veel dichter en kan veranderen in een witte dwerg, een neutronenster of een zwart gat (afhankelijk van de massa van de ster in kwestie). Op dezelfde manier kan een witte dwerg door de zwaartekracht instorten tot een neutronenster of een zwart gat wanneer hij de massa van Chandrasekhar overschrijdt (ongeveer 1,4 maal de massa van de zon); De neutronenster kan op zijn beurt instorten tot een zwart gat wanneer hij de Tolman-Oppenheimer-Volkoff-limiet bereikt (gelijk aan ongeveer 2,5 maal de massa van de zon).

Twee stellaire zwarte gaten zouden kunnen samensmelten tot een massiever zwart gat. Dit is wat er gebeurt met wat wij binaire systemen noemen. Een dubbelstersysteem bestaat uit twee sterren die om elkaar heen draaien, in plaats van één enkele ster zoals in het zonnestelsel. Een bekend voorbeeld in de populaire cultuur is de planeet Tatooine uit Star Wars, die twee zonnen heeft.

Sommige binaire systemen bestaan ​​uit een zwart gat en een ster, of twee zwarte gaten. In dit geval draaien deze twee sterren om elkaar heen, steeds dichterbij, totdat ze samensmelten. Dit vormt dan een zwart gat dat groter is dan het vorige. Het samensmelten van twee zwarte gaten is al waargenomen, vooral via zwaartekrachtsgolven.

Er is nog een ander type zwart gat: superzware zwarte gaten, die een massa hebben van één miljoen tot enkele miljarden zonsmassa’s. Het zwarte gat in het centrum van de Melkweg, Sagittarius A*, is een superzwaar zwart gat: het is ruim 4 miljoen keer zo zwaar als de zon. Er zijn ook superzware zwarte gaten waargenomen in de centra van andere sterrenstelsels. De oorsprong van deze zwarte gaten is nog steeds een onderwerp van grote discussie. Eén bron die momenteel de voorkeur geniet, is de zwaartekrachtinstorting van een enorme gaswolk in het vroege heelal.

Zwarte gaten zijn lange tijd een hypothetische wetenschappelijke curiositeit geweest, en vandaag de dag worden ze door de wetenschappelijke gemeenschap waargenomen. Er blijven echter veel mysteries bestaan, zoals de samenstelling ervan, maar ook wat er binnen de horizon bestaat…

De auteur wil vooral Dr. Stephane Marchandon (Faculteit Industriële Biologie) bedanken voor de interessante discussies en correcties die in dit artikel zijn aangebracht.

Als je ook een vraag hebt, vraag dan aan je ouders om een ​​e-mail te sturen naar: [email protected]. We zullen een wetenschapper vinden die u zal antwoorden. In de tussentijd kun je alle artikelen lezen “Gesprek Junior”.

De originele versie van dit artikel is gepubliceerd op Dialoogeen non-profit nieuwswebsite gewijd aan de uitwisseling van ideeën tussen academische experts en het grote publiek.

Lees verder: