Zwarte gaten

Het leven van een ster is een voortdurende strijd tegen de zwaartekracht. Het begint al met de samentrekkende gas- en stofwolk waaruit de ster ontstaat. Onder invloed van de eigen zwaartekracht zou die wolk zich het liefst in één punt samentrekken. Maar lang voordat het zover is, biedt de energieproductie in het sterinwendige al voldoende tegendruk. Zo ontstaat er een evenwicht tussen de naar binnen gerichte zwaartekracht en de naar buiten gerichte stralingsdruk als gevolg van de kernfusiereacties in het binnenste van de ster.

Aan het eind van de hoofdreeksfase komt de fusie van waterstof tot stilstand, en krijgt de zwaartekracht weer even de overhand. Lang duurt dat echter niet: doordat de ster begint te krimpen, nemen druk en temperatuur in het centrum toe, en komt de fusie van helium op gang, zodat er opnieuw een evenwicht wordt bereikt.

zwart_gat

Sterren zoals de zon eindigen hun leven als witte dwerg. Onder invloed van de zwaartekracht is de ster enorm sterk samengeperst: een gemiddelde witte dwerg is ongeveer even zwaar als de zon, maar nauwelijks groter dan de aarde. Toch wint de zwaartekracht het nog steeds niet: de zogeheten elektronendruk in de witte dwerg biedt moedig weerstand tegen een eventuele verdere inkrimping.

Is de massa van de ster groter dan 1,4 zonsmassa’s, dan stort ze verder ineen tot een neutronenster: een stijf samengepakte bal van kerndeeltjes die hooguit dertig kilometer in middellijn is. Opnieuw wordt de zwaartekracht een halt toegeroepen, dit maal door de onsamendrukbaarheid van de neutronen.

Maar wat gebeurt er wanneer de samentrekkende sterkern veel zwaarder is, bijvoorbeeld vijf of tien keer zo zwaar als de zon? Niemand weet exact waar de magische grens ligt, maar bij een bepaalde massa is ook een neutronenster niet langer stabiel. De zwaartekracht komt dan als winnaar uit de strijd te voorschijn, want er is geen enkel mechanisme bekend dat dan nog weerstand kan bieden aan een definitieve ‘zwaartekrachtscollaps’. Het object dat dan ontstaat, wordt een zwart gat genoemd.

Wat er precies met de materie in zo’n superzware sterken gebeurt, is niet exact bekend. Volgens de theorie komt alle materie in één dimensieloos punt terecht, waar dus een oneindig hoge dichtheid heerst – dat is moeilijk voorstelbaar voor gewone stervelingen. Maar die zogeheten singulariteit is van buitenaf toch nooit te zien; die wordt aan het zicht onttrokken door de ‘horizon’ van het zwarte gat.

Rondom de ineengestorte ster bevindt zich een gebied in de ruimte waar de zwaartekracht zó sterk is, dat zelfs een lichtstraal er niet uit kan ontsnappen, ondanks het feit dat licht de hoogst mogelijke snelheid in het heelal heeft (300.000 kilometer per seconde). De bolvormige begrenzing van dat gebied wordt de horizon van het zwarte gat genoemd. Wat er binnen die horizon gebeurt, komen we nooit te weten, omdat ook informatie, in welke vorm dan ook, niet sneller kan reizen dan het licht.

Een zwart gat met een zeer grote massa heeft een wijdere horizon dan een zwart gat met een relatief kleine massa. Maar voor elk zwart gat geldt dat de ontsnappingssnelheid binnen de horizon groter is dan de lichtsnelheid. Zwarte gaten zenden dus geen enkele vorm van straling uit (daarom zijn ze zwart), en materie die in de buurt van de horizon terecht komt, valt onherroepelijk ten prooi aan het extreem sterke zwaartekrachtsveld (daarom is het een gat).

Hoewel zwarte gaten dus per definitie onzichtbaar zijn, kunnen sterrenkundigen ze toch ontdekken. De invloed die ze op hun directe omgeving uitoefenen, kan in sommige gevallen namelijk wél worden waargenomen. Zo zijn er zwarte gaten die deel uitmaken van een dubbelstersysteem. Met een gewone telescoop is slechts één ster te zien, maar uit de schommelingen van die ster blijkt dat er een zwaar object omheen draait, met een massa van bijvoorbeeld tien zonsmassa’s – te veel voor een neutronenster. Bovendien blijkt de dubbelster enorme hoeveelheden energierijke röntgenstraling uit te zenden, precies wat je verwacht wanneer er gas van de ster wordt weggezogen door de zwaartekracht van het zwarte gat. Dat gas hoopt zich op in een afgeplatte, snel roterende schijf, waaruit het langzaam maar zeker naar binnen spiraliseert. Die ‘accretieschijf’ bevindt zich nog buiten de horizon van het zwarte gat, en de energierijke straling die door het oververhitte gas in de schijf wordt uitgezonden, kan waargenomen worden met een röntgentelescoop in een baan om de aarde.

Leave a Reply