Wat is een zwart gat?

Wat gebeurt er als je in een zwart gat valt? En waar komen zwarte gaten vandaan? Zwarte gaten zijn wellicht de meest mysterieuze en absurde objecten in ons heelal. Albert Einstein geloofde zelfs niet dat zwarte gaten daadwerkelijk kunnen voorkomen in de natuur, en dacht dat ze slechts hypothetische wiskundige objecten waren. Tegenwoordig is echter zeker dat zwarte gaten bestaan. Het grootste zwarte gat dat we tot nu toe kennen heeft een massa van zelfs meer dan 18 miljard keer dat van de zon!

Zwarte gaten

• Algemene relativiteitsheorie
• Wat zijn zwarte gaten?
• Hoe ontstaan zwarte gaten?
• Wat gebeurt er als je in een zwart gat valt?

Algemene relativiteitsheorie

Om te begrijpen wat een zwart gat precies is, is wat basis kennis van de algemene relativiteitstheorie nodig. Een belangrijk principe van de theorie is dat licht wordt afgebogen in een zwaartekrachtsveld. Dit is een gevolg van het zogenaamde equivalentieprincipe.

Dit principe stelt dat er geen verschil is tussen het effect van een zwaartekrachtsveld en het effect van een homogene versnelling. Dit houdt in dat iemand die ergens in de ruimte in een raket zit die 9,81 m/s² versnelt, hetzelfde waarneemt als iemand die op aarde staat, waar de valversnelling 9,81 m/s² bedraagt.

Stel dat iemand nu in een omhoog versnellende lift met een lamp op de wand van de liftcabine schijnt. In de tijd dat het licht onderweg is naar de wand, heeft de lift een bepaalde afstand omhoog afgelegd. Hierdoor heeft het licht geen rechte, maar een gekromde baan afgelegd; het licht is omlaag afgebogen.

Omdat dit effect optreedt bij een constante versnelling, moet het ook optreden in een zwaartekrachtsveld. Anders zou er een verschil bestaan tussen de effecten van een constante versnelling en de effecten van de zwaartekracht. Licht zal in een bepaald gravitatieveld dus op dezelfde manier worden afgebogen als bij een constante versnelling.

Wat zijn zwarte gaten?

Als een zwaartekrachtsveld sterk genoeg is, is het mogelijk dat zelfs het licht niet uit dit veld kan ontsnappen. Dit heeft te maken met het begrip ontsnappingssnelheid. Dit is de minimale snelheid die nodig is om uit een zwaartekrachtsveld te ontsnappen. Op aarde is de ontsnappingssnelheid iets meer dan 11 km/s; dit betekent dat als je een object met deze snelheid recht omhoog gooit, het object nooit meer terug zal vallen naar de aarde.

Als een object echter zwaar genoeg is, kan het voorkomen dat de ontsnappingssnelheid groter is geworden dan de snelheid van het licht. Licht kan dan niet van dit object ontsnappen, waardoor het object van buiten af zwart lijkt. Als dit het geval is, wordt zo'n object een zwart gat genoemd. Omdat niets sneller kan gaan dan het licht, kan ook niets eruit ontsnappen.

Hoe ontstaan zwarte gaten?

Zwarte gaten ontstaan uit de kernen van sterren die zwaarder zijn dan ongeveer 20 zonmassa's. Aan het eind van het leven van zo'n ster houdt de fusie in de kern op. De energie die vrij komt bij kernfusie in de kern van een ster zorgt er voor dat de ster niet in elkaar klapt door de zwaartekracht. Zodra de fusie ophoudt kan het voorkomen dat (mits de ster zwaar genoeg is) de kern van een ster implodeert.
De zwaartekracht van de kern is dan sterk genoeg om de kern in elkaar te drukken, waardoor deze steeds kleiner wordt. De massa van de kern verandert echter niet, dus naarmate de kern kleiner wordt, wordt deze ook compacter, waardoor de zwaartekracht aan het oppervlak steeds sterker wordt. Als de zwaartekracht sterk genoeg is (dus als de kern zwaar genoeg is) wordt de kern voldoende samengedrukt om een zwart gat te vormen.

In principe kan daarom ook alles een zwart gat worden, als je het maar hard genoeg samendrukt. De aarde zou bijvoorbeeld in een zwart gat veranderen als deze wordt samengedrukt tot de grootte van een knikker (ongeveer 2,5 cm).

Als een zwart gat net is ontstaan, is deze nog niet extreem zwaar. Toch bestaan er zwarte gaten die miljarden keren zo zwaar zijn als onze zon. Dit komt omdat er in de loop van de tijd vaak materie in een zwart gat terecht komt, waardoor deze langzaam zwaarder (en dus groter) wordt.

Wat gebeurt er als je in een zwart gat valt?

Wanneer iemand in een zwart gat zou vallen gebeurt er iets wat spaghettificatie (dit is écht de formele term!) genoemd wordt. Vanwege de kleine omvang van zwarte gaten is de sterkte van de zwaartekracht erg verschillend op kleine schaal. Dit houdt in dat de zwaartekracht bij je voeten sterker is dan bij je hoofd; hierdoor word je letterlijk uitgerekt.

Uiteindelijk breek je hierdoor in tweeën, en raakt je torso gescheiden van je onderlichaam. Het punt waar de breking optreedt ligt waarschijnlijk in de buurt van je heup (maar het hangt af van je lengte). Na het breken besta je dus uit twee losse stukken en ben je waarschijnlijk nog in leven.

Hierna herhaalt het spaghettificatieproces zich en worden de twee losse stukken opnieuw uit elkaar getrokken. De tweede keer dat de stukken breken is zeer waarschijnlijk fataal.

Een ander effect wat dichter in de buurt van de kern optreedt is dat je wordt samengedrukt. Dit komt omdat alles recht naar de kern wordt getrokken. Dus als de kern bijvoorbeeld bij je voeten is, zullen allebei je schouders richting je voeten worden getrokken, waardoor ze naar elkaar toe gaan bewegen.