Zwarte gaten blijven de sterrenkundige gemoederen bezighouden. De nieuwste ontdekking is een superzwaar zwart gat dat dienst doet als een kolossale kosmische dynamo. Hoe is het mogelijk om energie te onttrekken aan een zwartgat? En wat is er eigenlijk bekend over deze mysterieuze objecten? Hoog tijd voor een opfriscursus.
1. Wat is een zwart gat?
Dat is simpel. Het is zwart omdat het geen licht geeft, en het is een gat omdat er van alles in verdwijnt. Een zwart gat is een gebied in het heelal met een extreem sterk zwaartekrachtsveld. Licht heeft een snelheid van 300.000 kilometer per seconde – de hoogst mogelijke snelheid in de natuur. Bij een zwart gat is zelfs die enorme snelheid onvoldoende om uit de greep van de zwaartekracht los te komen. Er kan dus niets uit een zwart gat ontsnappen, zelfs geen licht. Een zwart gat is in feite een eenrichtingsdeur in het heelal: je kunt alleen naar binnen, maar nooit meer naar buiten.
2. Hoe zie je een zwart gat?
Niet. Althans, niet direct. Zwarte gaten zijn per definitie onzichtbaar – ze zenden geen enkele vorm van straling uit. Maar de invloed die ze op hun omgeving uitoefenen, is wél waarneembaar. Wanneer er gas naar binnen wordt gezogen, wordt dat door het sterke zwaartekrachtsveld enorm versneld en verhit. Nog voordat het gas voorgoed in het zwarte gat verdwijnt, zendt het daardoor energierijke röntgenstraling uit. Die kan geregistreerd worden door telescopen in een baan om de aarde. Ook uit de beweging van naburige sterren en gaswolken is het bestaan van een zwart gat soms af te leiden. Maar het gaat altijd om indirecte waarnemingen.
3. Bestaan zwarte gaten wel echt?
Geen twijfel mogelijk. Moderne röntgentelescopen, zoals het Amerikaanse Chandra-observatorium en de Europese ruimtetelescoop XMM-Newton, hebben de omloopsnelheid gemeten van rondzwierende sterren en wervelende gasschijven. Uit die snelheidsmetingen kun je de afmeting en de massa van het onzichtbare centrale object berekenen. Vaak gaat het om zo veel massa in zo’n klein gebiedje, dat een zwart gat echt de enige mogelijke verklaring is. Andere supercompacte objecten zouden namelijk niet onzichtbaar zijn, maar juist enorm veel straling produceren.
4. Hoe ontstaan zwarte gaten?
Laat de natuur haar gang maar gaan, dan ontstaan ze vanzelf. Overigens zijn er twee soorten. De ‘stellaire’ zwarte gaten zijn een paar keer zo zwaar als de zon, maar niet groter dan een paar kilometer. Ze ontstaan wanneer een zware ster aan het eind van zijn leven explodeert als supernova. De kern van de ster stort dan ineen tot een zwart gat. ‘Superzware’ zwarte gaten zijn veel groter, en zijn een paar miljoen of zelfs een paar miljard keer zo zwaar als de zon. Ze houden zich schuil in de kernen van de meeste sterrenstelsels. Waarschijnlijk vormen ze een onvermijdelijk bijproduct van het ontstaan van sterrenstelsels.
5. Hoeveel zwarte gaten zijn er?
Vele triljoenen (een triljoen is een 1 met achttien nullen). Vrijwel elk groot sterrenstelsel – inclusief ons eigen Melkwegstelsel – heeft een superzwaar zwart gat in zijn kern. Dat betekent dat er al tientallen miljarden superzware zwarte gaten in het heelal zijn. Stellaire zwarte gaten zijn nog veel talrijker, gezien het aantal supernova-explosies. In het Melkwegstelsel komen er naar schatting al honderd miljoen voor, aldus berekeningen van de Amsterdamse hoogleraar Ed van den Heuvel. Het dichtstbijzijnde stellaire zwarte gat is hier misschien maar vijftien lichtjaar vandaan.
6. Zijn zwarte gaten gevaarlijk?
Wel als je er willens en wetens op afvliegt: voor wie de ‘horizon’ van een zwart gat passeert, is er geen weg meer terug. Op aarde hebben we echter geen last van de triljoenen zwarte gaten in het heelal; die bevinden zich op veel te grote afstanden. Het sciencefictionbeeld van allesverslindende zwarte gaten die kriskras door de ruimte zwalken, berust dan ook op fantasie. Zelfs wanneer de zon zou veranderen in een zwart gat, zou de aarde gewoon haar baantjes blijven draaien, hoewel er dan natuurlijk geen leven meer mogelijk is door het ontbreken van licht en warmte.
7. Hoe onttrek je energie aan een zwart gat?
Dat lukt alleen als het zwarte gat ronddraait, en omgeven wordt door een schijf van heet gas. De zwaartekracht van het roterende zwarte gat vervormt de omringende ruimte. De magnetische veldlijnen in de gasschijf raken daardoor strak opgewonden. Het gevolg is dat het zwarte gat een beetje wordt afgeremd, en het binnendeel van de gasschijf extra wordt verhit. Jörn Wilms van de universiteit van Tübingen heeft voor het eerst zo’n kosmische dynamo ontdekt met de Europese röntgenkunstmaan XMM-Newton, op ruim honderd miljoen lichtjaar afstand van de aarde. De extreem hoge temperatuur van het binnendeel van de gasschijf kan alleen verklaard worden door deze dynamowerking.
8. Zijn zwarte gaten echt zwart?
Volgens Stephen Hawking niet. De gehandicapte theoreticus uit Cambridge heeft voorgerekend hoe er heel af en toe elementaire deeltjes uit een zwart gat kunnen ontsnappen, dankzij het onzekerheidsprincipe uit de quantumfysica. Zwarte gaten ‘verdampen’ dus heel langzaam, en hoe lichter ze worden, des te sneller dat gaat. Als er tijdens de oerknal microscopische zwarte gaatjes zijn gevormd (zo groot als een atoomdeeltje, maar even zwaar als de Mount Everest), moeten die nu ongeveer explosief verdampen. Misschien dat sommige gammaflitsen – energierijke explosies in het heelal – op die manier verklaard kunnen worden.
9. Wat voor nut heeft een zwart gat?
Geen enkel. Tenminste, voorlopig. Het ziet er niet naar uit dat er binnenkort maatschappelijke toepassingen gevonden zullen worden voor de kosmische stofzuigers. Maar in theorie zou dat wel mogelijk zijn. Een klein zwart gat in een baan om de aarde kan als ultieme vuilstortplaats dienen, en bovendien de hele wereldbevolking van energie voorzien. En grote geesten als Hawking en Richard Gott van de Princeton-universiteit beweren serieus dat je een zwart gat misschien kunt ombouwen tot een tijdmachine. In principe. Voorlopig blijft dat voer voor SF-auteurs.
10. Wat zit er in een zwart gat?
Een raadsel. Of, zoals astronomen zeggen, een singulariteit. Onze natuurkundige theorieën verliezen in een zwart gat hun geldigheid. Niemand weet wat zich achter die geheimzinnige eenrichtings-horizon afspeelt. Maar gespeculeerd wordt er volop. Volgens Lee Smolin van de Harvard-universiteit ontstaat er bij de geboorte van elk zwart gat in ons heelal een nieuwe kosmos in een andere dimensie. Zwarte gaten als de takken en twijgen van een ‘multiversele’ stamboom.
Wie durft nog te beweren dat wetenschap saai is?
_Dit artikel is eerder verschenen in nummer 4 uit de jaargang
2002 van het blad Archimedes._