Zwart gat prikkelt de fantasie

Artist’s impression van een rondtollend zwart gat zo zwaar als miljarden zonnen. Terwijl het zwarte gat materie uit de omgeving opslokt, straalt het krachtige jets van röntgenstraling uit. beeld NASA/JPL Caltech
6

Een zwart gat is als een waterval waar een kano met vakantiegangers onstuitbaar naartoe drijft. Om even later in de diepte te storten. Een zwart gat slorpt alles op; alles dat te dichtbij komt, belandt in de ijzeren greep van de enorme aantrekkingskracht.

Een astronaut die te dicht in de buurt van een zwart gat terechtkomt, wordt uitgerekt tot een spaghettisliert, schrijft hoogleraar wetenschapscommunicatie Marcia Bartusiak in haar boek ”Zwarte gaten”. Als de ongelukkige door de waarnemingshorizon van een zwart gat heendringt, kan hij niet meer terug.

Hij wordt uitgerekt en samengeperst door immense getijdenkrachten; net zoals de maan getijden opwekt in de oceanen op aarde, maar dan heel veel sterker. In slowmotion zal de uitrekking beginnen, alsof de astronaut op een middeleeuws martelrek ligt.

„Bij een zwart gat met een massa van 5 miljard zonnen zou de val achter de waarnemingshorizon tot het laatste samenpersen 21 uur duren. Vervolgens wordt het lichaam in een oogwenk afgebroken tot cellen, de cellen tot atomen, de atomen tot elementaire deeltjes, de deeltjes tot quarks en de quarks tot dingen die nog wachten op ontdekking”, aldus Bartusiak.

Ontsnappen is onmogelijk; de aantrekkingskracht van het zwarte gat heeft dezelfde snelheid als het licht. Als licht er niet uit kan ontsnappen, moet de astronaut dus sneller zijn dan het licht. En dat kan niet, volgens de speciale relativiteitstheorie van Albert Einstein. „Het zwarte gat houdt je in een ijzeren greep.”

Serieus

Het kostte tientallen jaren voordat astronomen het idee van het zwarte gat serieus namen. Einstein leverde de natuurkunde die zwarte gaten voorspelde: de algemene relativiteitstheorie.

In die theorie is de ruimte geen enorme, lege uitgestrektheid, maar een soort grenzeloos rubberen vel dat kan samentrekken of uitrekken: de ruimtetijd. Zware voorwerpen, zoals sterren en planeten, drukken als enorme bowlingballen het ‘vel’ plaatselijk in. Hoe groter de aantrekkingskracht van het voorwerp, hoe dieper de deuk. „Ruimtetijd vertelt materie hoe te bewegen; materie vertelt ruimtetijd hoe te krommen”, aldus de Amerikaanse fysicus John Wheeler.

Wat heeft Einsteins idee met het zwarte gat te maken? Dat ontdekte de Duitse sterrenkundige Karl Schwartzschild: als alle massa van een ster zich samenperst tot een zeer klein formaat, bereikt de omvang een toestand waarbij plotseling een bolvormige ruimte ontstaat waaruit niets meer kan ontsnappen – geen materie, geen signaal en zelfs geen licht. Dit punt wordt de schwartzschildstraal genoemd. De deuk in de ruimtetijd –de put in het ‘rubberen vel’– verandert dan in een bodemloos gat. Licht en materie worden daarin samengeperst tot een singulariteit, een enkelvoudige punt zonder volume en met een oneindige dichtheid.

In singulariteiten werken de wetten van de fysica niet meer. Dat was voor de meeste natuurkundigen, onder wie Einstein zelf, een reden om verder geen aandacht te besteden aan Schwartzschilds ontdekking. Als er zulke vreemde uitkomsten uit rolden, was de algemene relativiteitstheorie kennelijk nog niet af, concludeerde Einstein.

Stabiel

Het idee van de zwaartekrachtsineenstorting van opgebrande sterren bleef lange tijd vreemd en speculatief. Maar uiteindelijk begrepen de natuurkundigen hoe die in zijn werk gaat.

Een gemiddelde ster heeft gedurende zijn levensduur een verbazingwekkend evenwicht. De zwaartekracht trekt continu materie naar binnen en probeert die almaar verder samen te persen. Tegelijk duwt een enorme inwendige druk de hete gassen uit de ster naar buiten. Het resultaat is een stabiele ster die licht en energie naar het heelal uitstraalt.

Deze evenwichtsoefening blijft niet altijd doorgaan. De waterstofatomen die fuseren tot helium raken op, de zwaartekracht krijgt de overhand en de kern van de ster krimpt. De buitenste omhulling van de ster koelt af en zet uit, waardoor er een rode reus ontstaat. Zware afkoelende sterren zenden dan nog steeds licht uit en vormen inwendig de zwaardere elementen koolstof en zuurstof, die vervolgens fuseren tot neon en magnesium. Uiteindelijk ontstaan nog de zwaardere elementen silicium, zwavel, argon en calcium, en ten slotte ijzer. Dan zijn verdere fusiereacties niet meer mogelijk en stort de kern van de ster in. Bartusiak: „In nog geen seconde wordt een kern, die ooit de grootte van de maan had, verdicht tot de afmeting van een stad.”

Tijdens deze ineenstorting perst de kern van de ster samen tot een dichtheid van meer dan 200 miljard kilogram per kubieke centimeter, terwijl de buitenschil met kracht explodeert. De materie in de ineenstortende ster bevindt zich permanent in een toestand van vrije val, berekenden de Amerikaanse natuurkundigen Robert Oppenheimer en Hartland Snyder. Het sterrenlicht kan niet meer ontsnappen en de ster verdwijnt uit het zicht. „Slechts het zwaartekrachtveld blijft bestaan”, aldus hun briljante artikel in 1939 in Physical Review.

Het artikel bleef echter jarenlang vrijwel onopgemerkt. Totdat John Archibald Wheeler, hoogleraar natuurkunde aan Princeton University, zich in 1952 begon te verdiepen in het lot van ineengestorte sterren. Kwantumnatuurkunde, relativiteit en een uitdijend heelal boeiden hem mateloos. „Ik had geen opwindender moment kunnen kiezen om natuurkundige te worden”, schrijft Wheeler.

Kernwapens

Halverwege de jaren 60 van de vorige eeuw waren natuurkundigen eindelijk in staat om een implosie van een ster te simuleren. Met dezelfde computers waarmee ze kernwapens ontwierpen. Onafhankelijke berekeningen in de Sovjet-Unie kwamen uit op hetzelfde antwoord: het bestaan van zwarte gaten is onvermijdelijk.

Wheeler constateerde dat een zwart gat niet slechts het ‘kerkhof’ is van een ster, maar een echt voorwerp in het heelal dat kan worden bestudeerd.

De naam ”zwart gat” is eveneens geïntroduceerd door de Amerikaanse hoogleraar. „Het straalt niets. We kijken ernaar en zien louter donkere leegte. Bovendien, de singulariteit met haar oneindige dichtheid graaft letterlijk een gat –een bodemloze put– in het buigzame ‘rubberen vel’ van de ruimtetijd. Daarom lijkt ”zwart gat” me de ideale benaming.”

Maar hoe maak je het onzichtbare zichtbaar? In 1971 onthulde röntgensatelliet Uhuru een ongebruikelijk vlekje in het sterrenbeeld Zwaan. Het voorwerp werd Cygnus X-1 genoemd. In 1990 kwam het bewijs dat het vlekje daadwerkelijk een zwart gat is, dat voortdurend materie opslorpt van een nabije ster.

Voor de Britse natuurkundige Stephen Hawking is de singulariteit van een zwart gat het uitgangspunt geweest van al zijn wetenschappelijke werk, schrijft hij in zijn boek ”Zwarte gaten”.

Hij ontdekte, toen hij de wetten van de kwantumnatuurkunde losliet op een zwart gat, dat een zwart gat nog niet het ultieme einde betekent van een ster. Zwarte gaten blijken zowel deeltjes als röntgen- en gammastraling te kunnen uitstoten. En daarnaast warmte, de zogeheten hawkingstraling. Daardoor neemt hun massa langzaam af. Binnen miljarden maal miljarden jaren kan een zwart gat volledig verdampen.

Rondtollend

Op basis van metingen met radiosatellieten constateren astronomen dat een sterrenstelsel een motor heeft die voordurend straling en deeltjes het heelal instuurt. Slechts één krachtbron voldoet aan de metingen: een enorm zwaar, rondtollend zwart gat.

Ook het hart van de Melkweg, het sterrenstelsel waarvan ons zonnestelsel deel uitmaakt, bestaat uit een rondtollend zwart gat dat evenveel weegt als 4 miljoen zonnen. Het houdt de talloze sterren in het spiraalstelsel bij elkaar.

Inmiddels fronst geen enkele natuurkundige zijn wenkbrauwen meer bij het idee van zwarte gaten. Elke seconde wordt er ergens in het heelal één geboren, schrijft Bartusiak. „Zwarte gaten, decennialang afgedaan als fantasie, zijn nu de meest wonderlijke en noodzakelijke bewoners van onze kosmos.”

----

Rimpel in de ruimtetijd

Wanneer de zwarte gaten van twee sterrenstelsels op elkaar botsen, ontwaakt er een brullend monster. Zwarte gaten botsen in volstrekte duisternis op elkaar. Niets van de explosie komt als licht naar buiten. Geen telescoop zal het gebeurde ooit zien, schrijft Janna Levin, hoogleraar astronomie van Colombia University in, haar boek ”Zwarte gaten blues”. Maar meetbaar is het wel.

„Verbonden door de zwaartekracht doorlopen de zwarte gaten in hun laatste seconden duizenden omwentelingen rond het punt waar ze elkaar uiteindelijk zullen treffen; ruimte en tijd klutsend tot waar ze op elkaar knallen en samensmelten tot een groter zwart gat. Een gebeurtenis waarbij meer dan een biljoen maal de energie van miljarden zonnen vrijkomt.”

Na zo’n botsing zullen de sterrenstelsels samengaan, terwijl een nieuw gevormd zwart gat alle gassen en materie van uit elkaar geslagen sterren verzwelgt.

De botsing van twee zwarte gaten is echter wel zo krachtig dat de ruimte er als het ware van nagalmt: er verschijnt een rimpel in de ruimtetijd. Deze geluidsgolf is met een grootte van een atoomkern minuscuul, maar wel meetbaar met supergevoelige apparatuur, zoals de Laser Interferometer Graviational Wave Observatory, kortweg LIGO in Hanford (VS).

LIGO is een technisch hoogstandje; het meetinstrument bestaat uit twee kaarsrechte betonnen buizen van 4 kilometer lang die haaks op elkaar staan. Daarmee kunnen wetenschappers een afstandverandering meten van minder dan een menselijke haar in verhouding tot 100 miljard keer de omtrek van de aarde.

Op 14 september 2015 was het zover: de nagalm van een botsing van twee zwart gaten, één van 38 en één van 29 zonnemassa’s, bereikte LIGO. Het eindresultaat was een zwart gat dat 62 keer zwaarder is dan de zon. De rest –vijf zonnen zwaar– werd volgens Einsteins vergelijking E= mc2 in één klap uitgezonden als een gigantische hoeveelheid energie: vijftig keer meer dan alle sterren in het heelal per seconde uitstralen.

LIGO krijgt het nog druk. Volgens het laatste nummer van New Scientist zal het meetapparaat dit jaar zes nieuwe zwaartekrachtsgolven gaan meten.

----

Boekgegevens

”Zwarte gaten. Het idee dat de kosmos veranderde”, Maria Bartusiak; uitg. Veen Media, Amsterdam, 2016; ISBN 9789085715801; 218 blz.; € 42,50;

”Zwarte gaten”, Stephen Hawking; uitg. Prometeus, Amsterdam, 2016; ISBN 9789044632309; 70 blz.; €12,50;

”Zwarte gatenblues. Over zwaartekrachtgolven en het gelijk van Einstein”, Janna Levin; uitg. Atlas Contact, Amsterdam, 2016; ISBN 9789045032979; 238 blz.; € 21,95.