Eigenlijk iedereen heeft wel een idee van zwarte gaten.

Het is zo’n grote zwarte draaikolk die alles opzuigt wat het tegenkomt, doordat het zo’n grote zwaartekracht heeft dat zelfs licht niet kan ontsnappen.

Ze zitten in het centrum van grote sterrenstelsels en alles draait eromheen en ernaartoe als een soort enorm doucheputje. Dit beeld is eigenlijk helemaal fout, maar het is wel een goed punt om te beginnen.

Ten eerste zitten zwarte gaten wel in het centrum van sterrenstelsels, maar draaien deze stelsels er niet omheen. Het zwarte gat is niet sterk genoeg om een heel sterrenstelsel bij elkaar te houden, het sterrenstelsel zelf is namelijk veel zwaarder dan het zwarte gat. Kortom, de sterren houden elkaar vast. Ten tweede zuigen zwarte gaten vrij weinig op, het zijn eigenlijk gewoon hele grote sterren en objecten draaien eromheen. Net zoals wij om de zon heen draaien zonder erin te vallen.

Normaal gesproken blijft een ster een mooie nette bal doordat de energie die in de kern wordt geproduceerd heel veel deeltjes naar buiten duwt, terwijl de zwaartekracht ze weer terugtrekt. Als de ster ouder wordt, gaat de kern door een serie processen steeds meer energie produceren, maar hij wordt natuurlijk niet zwaarder. Daardoor wordt de ster steeds groter. Uiteindelijk wanneer alle brandstof is verbruikt klapt de ster in elkaar onder de zwaartekracht, waardoor de natuurkunde zoals wij die kennen behoorlijk in de war kan raken. De grootste sterren worden neutronensterren (sterren waarbij atomen in elkaar zijn getrokken, elke proton en elektron is gefuseerd tot een neutron en de dichtheid zo groot is dat een balletje neutronen ter grootte van een knikker ongeveer 1000.000.000.000 kg weegt) of zwarte gaten (nog extremer).

Wiskundig gezien is de dichtheid van een zwart gat oneindig. Daarmee bedoelen we niet het “hele object”, maar alleen de kern. Soms noem je alles wat achter de waarnemingshorizon is gevallen ook deel van het zwarte gat. In principe klopt dit, alles wat hier achter komt blijft daar voor eeuwig. De dichtheid van de massa achter de waarnemingshorizon is niet vreselijk groot en wordt kleiner des te groter het zwarte gat is. Theoretisch hoeft de totale dichtheid van alles achter de “waarnemingshorizon” niet heel veel groter te zijn dan water, bij een heel groot zwart gat.

Relativiteit

Het verhaal wordt wat complexer wanneer je Einstein erbij haalt. Vooral omdat Einstein stelt dat zwaartekracht eigenlijk niet bestaat. In 1905 kwam hij met de “speciale relativiteit”, dit houdt twee dingen in:

• Twee objecten ondervinden dezelfde natuurwetten als ze zich met dezelfde snelheid in dezelfde richting bewegen.
• De lichtsnelheid is onafhankelijk van de snelheid van de bron. Daardoor is het de maximale snelheid waarmee informatie kan reizen binnen het universum.

De “algemene relativiteit” voegt daaraan toe dat:

• zwaartekracht een effect is dat ontstaat door de buiging van ruimte en tijd door de aanwezigheid van massa of energie.

Zonder deze theorieën hadden we zwarte gaten misschien nog helemaal niet ontdekt. De relativiteitstheorie laat zien dat je een lichtstraal af kunt buigen, ook al heeft het geen massa. Daardoor kan een zwart gat het licht ombuigen, of zelfs vasthouden.

Theoretische natuurkunde

Het probleem met zwarte gaten is dat alles wat we erover denken te weten, theoretisch is. We hebben er kortgeleden voor het eerst een op de foto hebben gezet (met behulp van de gecombineerde data van 8 enorme radiotelescopen), maar daarmee kun je eigenlijk alleen het licht zien dat om het zwarte gat heen wordt gebogen.

Het binnenste van een zwart gat kan alleen bestaan als de wetten van de natuurkunde zoals wij die kennen gebroken worden. Wel weten we dat Einsteins theorieën tot nu toe kloppen en dat het blijkbaar toch mogelijk is dat informatie een zwart gat verlaat door middel van Hawking-straling, waardoor een zwart gat als het ware verdampt.

Leerlingen die hier vragen over hebben, keken ook naar:

Zwaartekracht: wat is het en hoe bereken je het?

Hoe beweegt de aarde om de zon?

Het zonnestelsel