F:\VESTA\Gescande Vesta`s\Vesta 053\Kuijt 53.wpd

Zwarte gaten (2)
Behandelde de serie 'Einstein' 1 t/m 9 (Vesta nr's 42 t/m 50) zijn 'Speciale
relativiteitstheorie', met 'Zwarte gaten'(nr 51) werd een begin gemaakt met de
behandeling van zijn 'Algemene relativiteitstheorie'.
Voor we echter ons verder verdiepen in de fascinerende eigenschappen van dit
fenomeen gaan we eerst in op de vraag: hoe ontstaan deze zwarte gaten?
Onmisbaar is echter de nodige basiskennis betreffende de levensloop van
sterren (geboorte, dood en alles wat daar tussen zit).
In de Vesta nr's 33-35 (jaargang 1988) is daar al het een en ander
overgeschreven. Kijk deze dus eerst nog even na !.
Voor diegenen die toen nog geen lid waren (of deze nr's niet meer bezitten)
volgt hieronder een korte samenvatting:
Toen het heelal ongeveer 700.000 jaar oud was, werden uit de (stabiele)
bouwstenen van het heelal (protonen en elektronen) waterstofatomen gevormd
die t.g.v. hun onderlinge aantrekkingskracht (gedeeltelijk) tot kleinere of
grotere hemellichamen gingen samenklonteren. De druk en temperatuur in de
kernen hiervan werd door de steeds voortgaande contractie tenslotte zo groot
dat er door kernfusie H (waterstof)atomen zich verenigden tot He(lium), mits
die hemellichamen voldoende groot waren. (Zo is onze planeet Jupiter te klein
hiervoor, deze hemellichamen worden ook wel bruine dwergen genoemd).
De bij deze kernreacties vrijkomende energie verhit de mantel zo sterk (boven
de 3000 K) dat deze licht gaat uitstralen: een ster is geboren ! Er ontstaat een
situatie waarbij de samentrekking t.g.v. de zwaartekracht wordt gecompenseerd
door de uitzetting t.g.v. de verhitting.
Na 'enige' tijd zal de waterstof in de kern geheel omgezet zijn in Helium.
Bij niet al te grote sterren (zoals onze zon) betekent dit een stopzetting van de
energie productie: de ster stort in. De waterstof van de mantel wordt hierbij zo
heet en compact dat er hevige kernreacties gaan plaatsvinden: de ster
explodeert waarbij ze fel oplicht: er ontstaat een z.g. 'nova' d.w.z. men dacht een
nieuwe ster ontdekt te hebben. In feite was het de doodsstrijd van de ster. Na
'korte' tijd verdwijnt de nova weer. Wat er overblijft is de zeer compacte kern
welke een dichtheid heeft van 1 ton (1000 Kg) per cc. (water heeft en dichtheid
van 1g/cc).
Een dergelijk hemellichaam noemen we een 'witte dwerg', met een massa,
ongeveer gelijk aan die van de zon en een afmeting van die van de aarde. (De
eerst ontdekte witte dwerg is een begeleider van de voor ons helderste ster
Sirius).
Bij grotere sterren (met een massa van 6 of meer van die van onze zon) gebeurt
iets anders. In de kernen van deze sterren is druk en temperatuur zo hoog dat uit
helium zich koolstof gaat vormen.
Raakt de helium op dan vormt zich zuurstof uit koolstof. Kortom: nieuwe
elementen worden geboren. Dit gaat door t/m het element ijzer. Dan stoppen de
kernreacties en dus de energieproductie (voor het waarom: zie bovengenoemde
artikelen).
Ook deze ster gaat instorten en daarna exploderen met een nog veel groter
geweld: er ontstaat een supernova die in enkele maanden meer energie
produceert dan in miljard jaar daarvoor.
De laatste supernovaexplosie in ons melkwegstelsel werd in 1054 waargenomen
(beschreven door Chinese sterrenkundigen).
De ster had een helderheid van onze maan (overdag dus nog zeer duidelijk
waarneembaar). De door deze explosie weggeblazen mantel nemen we nu nog
waar als de Krabnevel.
Wat er overblijft van een dergelijke ster is een compact lichaam met een nog
veel grotere dichtheid dan die van een witte dwerg.
De atomen zijn volledig in elkaar gedrukt, protonen en elektronen zijn verenigd
tot neutronen, die dicht op elkaar liggen.
We noemen een dergelijk hemellichaam dan ook wel een neutronenster. De
dichtheid hiervan is 10 miljoen maal die van een witte dwerg en met een
afmeting van ongeveer 15 km doorsnee. Een lichaampje ter grootte van een
zandkorrel zou een massa van 10 miljoen kg hebben !
Het is duidelijk dat dergelijke compacte hemellichamen als witte dwergen en
neutronensterren een enorme aantrekkingskracht op materie in hun omgeving
uitoefenen. Ze slorpen deze materie dan ook op onder afgifte van energie, te
vergelijken met een heiblok in vrije val.
De bij een heiblok ontwikkelde (kinetische) energie kan bv gebruikt worden om
een paal in de grond te rammen.
En nu weer even terug naar Einstein: Energie is een vorm van massa, beter
gezegd massa is een vorm van energie. Het heiblok verliest door zijn
energieafgifte, massa. De massa van een heiblok op de grond is dus minder dan
die in opgetakelde toestand !
Zo wordt een deel van de materie, die door witte dwergen en neutronensterren
wordt opgeslokt, omgezet in energie. Deze is zo groot dat deze als straling
wordt uitgezonden.
Het deel van de materie die bij het opslokken door witte dwergen in energie
wordt omgezet is ongeveer 0.01 %, bij neutronensterren is dat zelfs 10 % !.
Neutronensterren bezitten sterke magnetische polen waarlangs de opgeslokte
materie zich op deze sterren stort. Op deze polen vormen zich hete,
röntgenstraling uitzendende plekken. Een neutronenster draait bovendien zeer
snel om zijn as (tientallen keren per seconde). De ster zal dus een zelfde aantal
keren per seconde opflitsen en wordt dan ook wel pulsar genoemd.
Op de plaats waar in 1054 de supernova zichtbaar was, bevindt zich nu een
pulsar welke zichtbaar licht, radio- en röntgenstraling uitzendt.
Een derde mogelijkheid is dat in de kern van een zware, geëxplodeerde ster
(supernova) zelfs de neutronen in elkaar geperst worden. Door een dergelijk
'zwaar' lichaam opgeslorpte materie kan zelfs 40 % van zijn massa in
stralingsenergie omzetten. In dit geval hebben we te maken met een zwart gat,
waarvan de omgeving dus een (zeer) helder schijnsel kan afgeven. Het zwarte
gat zelf echter kan dit niet (zoals we in de vorige aflevering hebben gelezen).
Kernen van melkwegstelsels (zoals M87) kunnen ook zwarte gaten bezitten.
Deze zullen de materie in hun omgeving opslorpen en daarbij een zeer fel
lichtschijnsel afgeven. In dat geval hebben we te maken met een zogenaamde
quasar. Dit soort hemellichamen werd in de jaren '60 ontdekt als zeer kleine
quasi stellaire radiobronnen (vandaar de naam quasar) op zeer grote afstand,
welke een (toentertijd onverklaarbaar) grote hoeveelheid energie uitstralen.
We veronderstellen nu dat deze energie afkomstig is van de door een in dat
stelsel aanwezig zwart gat opgeslokte materie.
Is de in de nabijheid van het zwarte gat aanwezige materie echter in zijn geheel
verzwolgen dan 'dooft' de quasar (hij 'verhongert'). Men veronderstelt dat dit
'verzwelgproces' ongeveer 50 miljoen jaar duurt.
Zo kunnen we ons voorstellen dat ook ons eigen melkwegstelsel een zwart gat
bezit (snelheidsmetingen van sterren duiden hierop, denk aan de missing mass:
Vesta nr 39).
Er kan dus een periode geweest zijn dat dit zwarte gat de materie in zijn
omgeving verzwolgen heeft en in die periode dus ook een enorm licht heeft
uitgestraald. Hadden we in die tijd geleefd dan hadden we de omgeving van dit
zwarte gat (in de buurt van het sterrenbeeld de 'Boogschutter') zien stralen met
een helderheid als die van de volle maan !
In de volgende aflevering zullen we dieper ingaan op de verstorende effecten op
ruimte en tijd t.g.v. zwarte gaten.
Jaap Kuyt.