Zwarte gaten
Hoe weinig de meeste mensen ook weten van sterrenkunde, van zwarte gaten heeft iedereen wel eens gehoord. Het moeten wel de griezeligste objecten in het heelal zijn: ze slorpen alles in hun omgeving op en nooit komt er iets uit te voorschijn. Zwarte gaten zijn helemaal niet eng. Ze zijn alleen maar heel intrigerend en heel boeiend. En in de geschiedenis van het heelal zijn ze waarschijnlijk heel belangrijk.
De naam zwart gat is een letterlijke vertaling van de Engelse term «black hole». Het gebeurt niet vaak dat een nieuw Engelstalig begrip zich zo gemakkelijk in het Neder lands laat vertalen, maar hier is de term dan ook wel heel toepasselijk. Een zwart gat is zwart omdat het geen licht uitstraalt, en ook geen andere vorm van straling. En een zwart gat is een gat omdat alles wat te dicht in de buurt komt, er in verdwijnt. De naam geeft dus eigenlijk alleen maar twee eigenschappen van zwarte gaten aan en zegt nog niets over wat een zwart gat nu eigenlijk is. Voor veel mensen zal het dan ook als een verrassing komen dat de meeste zwarte gaten gewoon sterren zijn. Natuurlijk wel bijzondere sterren, want normaal gesproken geeft een ster wél licht en valt er niet van alles in. Maar een zwart gat is inderdaad het eindstadium in de evolutie van een bepaald soort sterren. En dat zoiets als zwarte gaten kunnen bestaan, werd bijna tweehonderd jaar geleden al vermoed.
Elk lichaam in het heelal heeft zwaartekracht. Hoe groter de massa (het gewicht) van het lichaam is, des te sterker is de zwaartekracht van dat lichaam. De zwaartekracht van de aarde zorgt er bijvoorbeeld voor dat wij weer terug naar het aardoppervlak vallen wanneer we omhoog springen. Je moet wel heel erg hard afzetten wil je voorgoed loskomen van de aardse aantrekkingskracht! Daar is een snelheid van ruim 11 kilometer per seconde voor nodig. Die snelheid wordt heel toepasselijk de ontsnappingssnelheidgenoemd. Het is de snelheid die een ruimtevaartuig moet krijgen om van de aarde weg te kunnen vliegen.
Als de aarde een grotere massa zou hebben, zou de zwaarte kracht sterker zijn, en zou de ontsnappingssnelheid ook groter zijn. Maar ook wanneer de aarde in zijn geheel kleiner zou worden, zou de ontsnappingssnelheid toenemen. De massa zou dan gelijk blijven, maar samengebald worden in een kleinere omvang. Daardoor is de zwaartekracht aan het opper vlak groter, en is ook de ontsnappingssnelheid groter. Hier onder tref je de ontsnappingssnelheden van de zon en de planeten aan:
ONTBREKENDE TABEL
Natuurlijk hebben ook sterren een bepaalde ontsnappings snelheid. De ontsnappingssnelheid van de zon is bijvoor beeld ruim 617 kilometer per seconde. Dat is natuurlijk groter dan de 11 km/sec die je op aarde nodig hebt. Maar de zon is dan ook veel zwaarder dan de aarde: ruim 300.000 maal zo zwaar. Toch is de ontsnappingssnelheid niet 300.000 maal zo groot. Dat komt doordat de zon zelf veel groter is, zodat het oppervlak zich verder naar buiten bevindt dan bij de aarde het geval is. Zou de zon nóg veel groter zijn, dan zou de ontsnappingssnelheid misschien ook maar 11 km/sec bedragen.
De Franse sterrenkundige Pierre S. de Laplace (1749-1827) redeneerde aan het eind van de achttiende eeuw al dat er misschien sterren zouden bestaan die heel zwaar én heel erg klein zijn. Hun ontsnappingssnelheid zou daardoor enorm groot zijn. Misschien wel groter dan 300.000 km/sec. Maar 300.000 km/sec is de snelheid van het licht! Dat betekent dat zelfs een lichtstraal niet van zo’n ster zou kunnen ont snappen. De ster zou dus in het geheel geen straling uit zenden. Het zou een zwart gat geworden zijn. Tegenwoordig weten we dat de ideeën van Laplace in grote lijnen juist zijn. Er bestaan vermoedelijk vele miljarden zwarte gaten in het heelal: sterren die zó zwaar zijn en tegelijkertijd zó klein, dat het licht niet meer kan ontsnappen aan hun sterk zwaartekrachtsveld. Om te begrijpen hoe het ooit zo ver kan komen met een ster, moeten we de levensloop van een ster eens nader bekijken.
Net als wij mensen worden de sterren ooit geboren, ze worden langzaam maar zeker ouder, beginnen daarna wat af te takelen, en sterven tenslotte. Er is natuurlijk niet echt sprake van leven, maar de vergelijking gaat in veel aspecten op. De tijdschaal waarop alles gebeurt, is echter wel heel anders dan bij de mens. Een ster zoals de zon heeft een totale levensduur van ongeveer 10 miljard jaar, waarvan de zon er nu ongeveer de helft op heeft zitten. Hij is dus van middel bare leeftijd, en maakt een rustige, bezadigde periode in zijn leven door. Zwaardere sterren leven wat korter, maar toch altijd nog enkele miljoenen jaren.
Hoe en waar worden sterren eigenlijk geboren? Die vraag is niet moeilijk te beantwoorden, want de kraamkamer van sterren zien we overal om ons heen. Op veel plaatsen in het heelal komen uitgestrekte wolken van gas en stof voor, die verhit worden door nabijgelegen sterren. Die nevels vormen de broedplaatsen van nieuwe sterren, en wanneer we wat langer de tijd zouden kunnen nemen, zouden we daar ook nu nog nieuwe sterren zien ontstaan. Om verschillende rede nen begint het materiaal in zo’n nevel samen te trekken, en in de loop van enkele tienduizenden tot honderdduizenden jaren kan zich daaruit een ster ontwikkelen: het ineen stortende gas wordt zó sterk verhit door onderlinge bot singen van gasmoleculen, dat het zelf licht gaat uitstralen.
Uiteindelijk komt de echte energiebron van een ster in werking: in het binnenste van de samentrekkende gasbol be ginnen kernreacties op gang te komen, waarbij waterstof atomen worden omgezet in heliumatomen. Die reactie levert genoeg energie om het verdere ineenstorten van de ster tegen te houden, en zelfs dan blijft er nog genoeg over om in de vorm van licht en warmte te worden uitgestraald. Door deze kernreacties wordt de zon wel steeds lichter: per seconde gaat er 4 miljoen ton aan gewicht verloren! Dat lijkt heel veel, maar de zon is zó kolossaal groot dat het massaverlies nauwelijks merkbaar is. Als deze inwendige energiebron om de een of andere reden zou wegvallen, zou de ster onverbid delijk verder samentrekken! Tijdens de fase van waterstof omzetting verkeert een ster dus in een rustige levensfase.
Ook de zon bevindt zich momenteel in dat stadium. De eigen zwaartekracht van de ster is precies in evenwicht met de energie die door de inwendige kernreacties wordt geleverd.
Maar de hoeveelheid waterstofgas in het binnenste van een ster is niet onuitputtelijk. Hoe groot een ster ook is naar aardse maatstaven, ooit komt het moment dat er niet vol doende waterstof meer aanwezig is om de vereiste tegendruk te geven. De ster zal dan weer verder inkrimpen, totdat er een nieuwe energiebron wordt aangeboord om het inkrimpen tegen te houden. Dat duurt echter niet zo lang: door het kleiner worden stijgt de temperatuur in het binnenste van de ster, en nu wordt het er zó heet dat helium kan worden omgezet in een ander element (in dit geval koolstof). Zo wordt er een nieuw evenwicht bereikt. De zon zal over ongeveer 5 miljard jaar beginnen met deze helium-omzetting.
Voorlopig hoeven we ons daar dus nog niet om te bekommeren.
En wat er daarna met de zon gebeurt zullen wij op aarde in elk geval niet meer meemaken: de zon zal een onstabiele levensfase doormaken, waarbij grote hoeveelheden gas het heelal in gestoten zullen worden, zodat het leven op aarde onmogelijk wordt. Er blijft dan slechts een kleine, hete sterkern over, een witte dwerg, die in de loop van honderden miljoenen jaren langzaam afkoelt totdat hij zich helemaal terugtrekt in de duisternis van het heelal.
Hoewel de aarde over 5 miljard jaar niet meer bewoonbaar zal zijn, is het levenseind van de zon naar sterrenkundige maatstaven vrij rustig: alleen kleine sterretjes (en daartoe behoort ook de zon!) komen op deze manier aan hun einde.
Voor zware sterren, met een massa van tientallen tot honder den maken zo groot als de massa van de zon, ligt er een heel andere toekomst in het verschiet.
Zware sterren zullen de krimp- en evenwichtsfase een aantal malen doormaken. Het eerste evenwicht wordt ge vonden als waterstof in helium wordt omgezet. Daarna krimpt de ster een beetje, totdat een nieuw evenwicht ontstaat wanneer helium in koolstof wordt omgezet. Dat gaat zo alsmaar door, waarbij in het binnenste van de ster steeds zwaardere elementen worden gevormd. Uiteindelijk wordt er in het aller binnenste van de ster zelfs ijzer gemaakt. Niet in de vorm waarin wij dat kennen, maar in een bijzondere gasvorm. Maar toch is het ijzer. En nu is het doodvonnis van de ster geveld.
Hoe hoog de temperatuur in het inwendige van de ster ook oploopt, de ijzeratomen zullen zich nooit om kunnen zetten in een nóg zwaarder element. Er is dus geen nieuwe energie bron meer om het inkrimpen van de ster tegen te gaan. In enorm korte tijd stort de ster daardoor geheel in elkaar.
Op de een of andere manier ontstaat daarbij een geweldige schokgolf, die zich weer naar buiten voortplant. En die schokgolf zorgt er voor dat de buitenlagen van de ster met een gigantische kracht het heelal in geslingerd worden. De kern van de ster slaat volledig op hol, als een exploderende kerncentrale, en produceert zóveel energie, dat de ster in een paar seconden tijd maar liefst honderd miljoen maal zo helder kan worden als de oorspronkelijke waarde! De ster is volledig uit elkaar gereten, en zendt een geweldige licht flits het heelal in, als een soort laatste stuiptrekking.
Het is een mooi verhaal, maar hoe weet men dat eigenlijk allemaal? Is zoiets ooit wel eens waargenomen? Inderdaad, zulke ontploffende sterren worden regelmatig aan de sterren hemel ontdekt. De meeste vallen niet op, of blijven zelfs geheel onzichtbaar voor het blote oog, omdat ze enorm ver weg staan, in een ander sterrenstelsel. Er is dan een telescoop nodig om de exploderende ster te zien. Maar de explosie is zó krachtig, dat de ster even helder kan worden als het sterrenstelsel waarin hij zich bevindt; hij geeft dan dus even veel licht als alle andere miljarden sterren uit het stelsel tesamen!
Heel af en toe kan zo'n uitbarsting ook in ons eigen melkwegstelsel worden gezien. In de afgelopen duizend jaar is dat drie maal waargenomen. Omdat de afstand dan veel kleiner is, is de uitbarsting gemakkelijker te zien. Het lijkt dan alsof er plotseling een nieuwe ster is bijgekomen, op een plaats waar eerder helemaal geen ster zichtbaar was.
Zulke «nieuwe sterren» worden supernova’s genoemd. Nova is Latijn voor «nieuw», en met het woordje super geven de sterrenkundigen aan dat het om zeer krachtige explosies gaat.
De helderste supernova van de afgelopen 1000 jaar vond plaats op 4 juli 1054. In het sterrenbeeld Stier verscheen die dag plotseling een nieuwe ster, die zó enorm helder was dat hij zelfs overdag gezien kon worden! Chinese sterrenkundigen hebben hun waarnemingen van deze nieuwe ster netjes vast gelegd voor het nageslacht, dus we weten vrij precies waar de ontploffing zich moet hebben afgespeeld. Ook Amerikaanse Indianenstammen hebben de explosie waargenomen: er zijn rots tekeningen gevonden uit die tijd waarop we een heldere ster zien in de buurt van de maansikkel en een beetje rekenen leert dat de maan begin juli 1054 inderdaad bij de super nova in de buurt stond. Merkwaardig genoeg schijnt er in Europa niemand de nieuwe ster gezien te hebben; er zijn tenminste geen geschreven verslagen van bewaard gebleven.
Maar ja, Europa verkeerde in de elfde eeuw dan ook in zeer kommervolle omstandigheden en de wetenschap stond wel op een bijzonder laag pitje.
Is er nu nog iets te zien van die «gastster» uit 1054? De eigenlijke ster was na enkele maanden weer uit het gezicht verdwenen en met het blote oog is op de juiste plaats in het sterrenbeeld Stier niets bijzonders te onderscheiden.
Maar wanneer we een telescoop op die plek richten, dan kunnen we een gasneveltje ontdekken met een zeer grillige structuur. Het is de wolk van gassen die door de ontplof fende ster is uitgestoten. De snelheid waarmee de gaswolk groter wordt kan tegenwoordig nauwkeurig gemeten worden en wanneer we dan terugrekenen komen we precies halverwege de elfde eeuw uit. Het lijdt dus geen twijfel dat dit het restant is van de supernova-explosie. De nevel wordt van wege haar grillige vorm, met tal van sliertige uitsteeksels, de Krabnevel genoemd.
Midden in de Krabnevel is een heel klein zwak sterretje ontdekt, dat als een zenuwachtig flikkerlichtje aan- en uit knippert. Niet alleen het zichtbare licht van het sterretje lijkt te knipperen, ook de radiostraling vertoont dezelfde pulsaties. Zo'n snel knipperend object wordt in de sterren kunde een pulsar genoemd. Het is zo goed als zeker dat de pulsar die midden in de Krabnevel staat het overblijfsel is van de ster die hier in het jaar 1054 explodeerde. Het is een heel kleine, maar enorm zware ster. De middellijn bedraagt niet veel meer dan een kilometer of tien, maar het mini sterretje weegt evenveel als onze zon! Eén theelepeltje vol met deze superzware sterre-materie zou al evenveel wegen als de stad New York. Het zal duidelijk zijn dat de zwaarte kracht aan het oppervlak van zo’n pulsar enorm sterk moet zijn, en dat de ontsnappingssnelheid dus ook heel groot is.
Toch is de pulsar geen zwart gat, want hij geeft nog steeds licht; de ontsnappingssnelheid is dus nog geen 300.000 km sec. Bij de pulsar is het verder ineenstorten van de ster tegengehouden doordat de kerndeeltjes uit de atomen helemaal dicht op elkaar gepakt zitten; ze kunnen door het gewicht van de pulsar niet verder samengedrukt worden. Het snelle knipperen van de pulsar heeft te maken met de supersnelle draaiing van het object: het sterre-restant in de Krab nevel draait per seconde 30 maal om zijn eigen as! Zware sterren ontploffen aan het eind van hun leven in een geweldige supernova-explosie; sterregas wordt het heelal in geslingerd en vormt een uitdijende gasnevel en het overblijfsel van de ster stort ineen tot een kleine maar enorm zware pulsar. Dat weten we allemaal zeker: we hebben het als het ware voor onze eigen ogen zien gebeuren.
Maar hoe zit het dan met zwarte gaten? Sterrenkundigen hebben berekend dat de kerndeeltjes in het binnenste van een pulsar maar een bepaalde druk kunnen weerstaan. Het gewicht van de pulsar kan ze niet verder samendrukken, maar wanneer dat gewicht eens een paar keer zo groot zou zijn, zouden diezelfde kerndeeltjes helemaal in elkaar worden geperst.
De ster zou dan nóg veel kleiner worden en de zwaartekracht aan het oppervlak zou enorm toenemen. De ontsnappingssnelheid zou dan groter worden dan de lichtsnelheid - groter dan 300.000 km/sec. En dan zou je een zwart gat hebben. Wanneer de oorspronkelijke ster maar zwaar genoeg is, gebeurt dit allemaal vanzelf. Als een ster meer dan dertig … vijftig keer zo zwaar is als de zon (de juiste waarde is niet exact bekend), dan kan het gewoon niet missen: aan het eind van zijn leven moet hij wel ineenstorten tot een zwart gat. En dan is de ster voorgoed uit het zicht verdwenen. Zwarte gaten zijn dus niet eng; ze zijn eigenlijk heel meelijwek kend. Het zijn de overblijfselen van sterren die hun leven op een desastreuze manier beëindigen - de lijken van zware zonnen.
De zon zelf is niet zwaar genoeg om ooit een zwart gat op te leveren. Zoals we al zagen, zal de zon zijn leven be eindigen als een witte dwerg. Maar stel nu eens dat de zon van vandaag op morgen een zwart gat zou worden. Wat zouden wij daarvan op aarde merken? In de eerste plaats zou natuur lijk direct alle licht en warmte van de zon wegvallen: een zwart gat kan immers geen straling meer uitzenden. Maar nu we toch aan het fantaseren zijn, stellen we ons voor dat de mens daar een technologische oplossing voor bedacht heeft: op de een of andere manier voorzien we in onze energie behoefte. Maar wordt de aarde nu naar binnen geslurpt door het geweldige zwaartekrachtsveld van de zon? Vallen we een zekere dood tegemoet? Hoe gevaarlijk is zo'n zwart gat eigenlijk?
Merkwaardig genoeg gebeurt er niets van dit alles. De aarde valt op dit moment ook niet naar de zon toe, maar draait er in een wijde baan omheen - een baan waarvan de vorm bepaald wordt door de massa van de zon. Wanneer de zon plotseling zou veranderen in een zwart gat, zou hij wel veel kleiner worden (nog maar een paar kilometer in plaats van de huidige 1« miljoen kilometer), maar aan de massa zou niets veranderen. Op de afstand van de aarde zou je daardoor niets van de verandering merken, en onze planeet zou gewoon in zijn baan blijven ronddraaien! Zelfs op een afstand van slechts 150 miljoen kilometer is er niets engs aan de hand.
Nee, het wordt pas echt griezelig wanneer we willens en wetens recht op een zwart gat afvliegen. (Dat is overigens iets wat je bij een gewone ster ook maar beter niet kunt doen!) Hoe dichter we in de buurt van het zwarte gat komen, hoe sterker de zwaartekracht zich zal doen voelen, en hoe sneller we naar beneden zullen vallen. Onze valsnelheid neemt toe tot honderden, zelfs duizenden kilometers per seconde! Als we dat al zouden overleven, is het een poosje later toch wel met ons gedaan: wanneer we heel dicht bij het zwarte gat in de buurt komen, begint de getijdenwerking een rol te spelen. Onze voeten bevinden zich dichter bij het zwarte gat dan ons hoofd, en we zullen dus veel sterker aan onze voeten worden aangetrokken dan aan ons hoofd. Dat verschil in aantrekkingskracht wordt op den duur zó groot, dat de atomen in ons lichaam uit elkaar worden gerukt. Uit eindelijk zullen we als een onherkenbare, lange sliert atomen het zwarte gat in suizen met de onvoorstelbare snelheid van 300.000 kilometer per seconde, om nooit meer te voorschijn te komen.
Wanneer een zwart gat zelf geen straling uitzendt, hoe kunnen we het dan ooit «zien»? Het antwoord is heel simpel: een zwart gat kun je niet zien! Toch valt indirect wel af te leiden dat zwarte gaten bestaan. Wanneer er veel gas in een zwart gat geslorpt wordt, zal dat gas steeds sneller bewegen, zoals we juist beschreven. De gasdeeltjes worden daardoor heel heet en zullen energierijke röntgenstraling uitzenden, die nog wel op aarde terecht kan komen. Door die straling nauwkeurig te onderzoeken, kunnen sterren kundigen afleiden hoe zwaar het object is waar het gas naartoe valt. Op die manier zijn langs indirecte weg al een aantal zwarte gaten gevonden.
Hoe meer gas en andere materie een zwart gat zal opslorpen, des te zwaarder wordt het. De invloedssfeer van het zwarte gat wordt dan ook groter en als een vraatzuchtig monster zal het zwarte gat steeds meer naar binnen schrokken; uit eindelijk zelfs met hele sterren tegelijk. Waarschijnlijk bevindt er zich in het middelpunt van ons eigen melkweg stelsel ook zo'n superzwaar zwart gat. Bij ons op aarde, op een veilige afstand van 30.000 lichtjaar, hebben we er geen last van, maar in het centrum van ons sterrenstelsel komen allerlei woeste taferelen voor! Het is best mogelijk dat uiteindelijk in elk sterrenstelsel een zwart gat ge vormd zal worden, dat net zo lang om zich heen blijft vreten totdat het grootste deel van het stelsel is ver schalkt. In dat geval zouden zwarte gaten wel eens een heel belangrijke rol kunnen gaan spelen in de geschiedenis van het heelal.
Wanneer je op een heldere zomeravond omhoog kijkt naar het prachtige sterrenbeeld Zwaan, dan kijk je in de richting van een zwart gat. Richt je je blik wat lager naar de zuidelijke horizon, dan kijk je in de richting van het centrum van ons melkwegstelsel - de verblijfplaats van een nog veel zwaarder zwart gat. Op tal van andere plaatsen tussen de sterren komen ook zwarte gaten voor - onzichtbaar voor ons mensen en gelukkig ook onbereikbaar. We merken er niets van. We hoeven er niet bang voor te zijn. Ze zijn niet eng.
Waarschijnlijk ben je je mogelijke angst voor zwarte gaten inmiddels een beetje de baas geworden. Toch is het dan nog even schrikken als er verteld wordt dat we misschien met z'n allen in één gigantisch groot zwart gat wonen, bestemd om ooit tot een nietig puntje ineen te krimpen. Dat gigantisch grote zwarte gat is het heelal in zijn totali teit. Het gehele universum dat wij kennen, met al z'n mil jarden sterren en sterrenstelsels, dijt op dit moment uit: alle afstanden in het heelal worden langzaam maar zeker groter. Maar de kans bestaat dat die uitdijing ooit zal ophouden en dat alle materie in het heelal weer naar elkaar toe zal vallen. Er is dan niets dat het inkrimpen van het heelal kan stoppen en op geen enkele manier zullen we aan de uiteindelijke catastrofe kunnen ontkomen: elke ster, elke planeet en elke bewoner van het heelal zit dan gevangen in een wereld waaruit geen ontsnapping mogelijk is; in het grootste zwarte gat dat er bestaat.
Maar maak je maar geen zorgen; wij zullen dat in geen geval meer meemaken. Wanneer het heelal echt één groot zwart gat is, dan kunnen we niets anders doen dan constateren dat het er heel mooi uitziet en er van genieten zo lang dat nog kan.
Dit hoofdstuk is overgenomen uit het boek «Blik op oneindig» van Govert Schilling, uitgegeven in 1985 door Uitgeverij Unieboek, Weesp (ISBN 90 228 3797 1).