Black Holes and the Universe!

Op grote diepte over de rand van de zwaartekrachtsafgrond waaruit geen terugkeer meer mogelijk is, herbergt het zwarte gat verbijsterende natuurkundige processen en manifesteren zich nieuwe natuurwetten.

Vanuit een natuurkundig standpunt bezien is het gemeenschappelijke aspect het supersterke zwaartekracht. Tegenwoordig worden zowel zwarte gaten als het heelal als geheel bestudeerd ihkv de relativistische astrofysica: de tak van de astrofysica die processen analyseert waarin het zwaartekracht zo sterk is dat objecten versneld worden tot vlak bij de lichtsnelheid.

Hoe mysterieuzer een raadsel is en hoe serieuzer een probleem, des te groter de belangstelling voor zowel leken als specialisten.

Een zwart gat is een schepping van de zwaartekracht, Zwaartekracht is de enige wisselwerking die oppermachtig is in de natuur. Zij oefent invloed uit op alle materie. Laplace voorspelde in 1795 het bestaan van onzichtbare sterren. Met behulp van Newtons zwaartekrachtwet berekende hij wat we tegenwoordig de ontsnappingssnelheid noemen. De ontsnappingssnelheid van de maan is 2,4 kilometer per seconde, bij een neutronenster 150.000 km per seconde.

De ATR van Einstein. Stel nu dat we in staat zijn de straal van een planeet geleidelijk te verkleinen door de planeet samen te persen terwijl hij dezelfde totale massa behoudt. De zwaartekracht zal aan de oppervlakte toenemen, aangezien de straal kleiner wordt. Bij een contractie met een factor 2 zal de kracht volgens Newton verviervoudigen. Einsteins theorie zet dat de kracht iets sneller zal toenemen: hoe kleiner de planeetstraal des te groter het verschil. Wanneer de planeet zo sterk is samengeperst dar de zwaartekracht supersterk wordt neemt het verschil tussen de waarde die in Newtons theorie wordt berekend en de werkelijke waarde die door Einstein wordt voorspeld enorm snel toe. Hoe kleiner de massa des te kleiner de zwaartekracht straal. In werkelijkheid is hij zelfs voor reusachtige grote massa’s erg klein; de zwaartekrachtsstraal van de aarde is bij voorbeeld slechts een centimeter.

De versschillen beginnen pas aanzienlijk te worden wanneer de straal van het samengeperste lichaam de zwaartekrachtstraal nadijd blijkt en het zwaartekrachtsveld bijzonder sterk wordt. De essentie van de theorie is dat zij de geometrische eigenschappen van de ruimte en tijd en de zwaartekracht in een ondeelbaar geheel verbind. Volgens Einsteins theorie verstrijkt de tijd in een sterk zwaartekracht veld langzamer dan de tijd die wordt gemeten op plaatsen waar de zwaartekracht zwak is. Absolute tijd blijkt een fictie!

De mate waarin de tijd aan het aard oppervlakte langzamer verstrijkt dan in de ruimte is bijvoorbeeld gelijk aan een tienmiljoenste procent. Wordt tijdpalm genoemd. Die wordt aanzienlijk groter in zeer sterke zwaartekrachtvelden en nadert naar een oneindig grote waarde wanneer de straal van een lichaam gelijk wordt aan de zwaartekrachtsstraal. Ontsnappingssnelheid precies snelheid van het licht. 2e belangrijk conclusie van ATR dat ruimte gekromd wordt door zwaartekracht. Het leidt geen twijfel dat het beeld van de gekromde ruimte even moeilijk te verenigen is met diepgewortelde intuïtieve denkbeelden aks dat van verschillende denkbeelden aks dat van verschillende tempo’s voor het verstrijken van tijd.

Einstein bewees niet alleen dat de eigenschappen van ruimte en tijd kunnen veranderen, maar ook de ruimte en tijd samenwerken in een ondeelbaar geheel; de vierdimensionale ruimte-tijd.

Eigenschap van zwaartekracht – kan “uitgeschakeld” worden wanneer we een vrije val in het veld maken. Vrije val brengt gewichtloosheid teweeg.

Zoals is uitgelegd wordt de zwaartekracht aan het oppervlakte van een ster die inkrimpt tot de zwaartekrachtsstraal oneindig sterk, en de versnelling van de vrije val moet dus ook oneindig groot worden.

Gewone sterren zijn in evenwicht. De centraal gerichte compressiekracht wordt in evenwicht geouden door krachten die het gevolg zijn van de inwendige druk van de materie. In het geval van sterren gaat het on de druk van zeer heet gas, die de ster doen opzwellen. Wanneer de materie echter tot een eindige dichtheid wordt samengeperst, behouden ook de druk en de temperatuur een eindige waarde. Grativitatiekrachten gedragen zich anders. Naarmate de straal van het hemellichaam de zwaartekrachtstraal nadert, neemt de zwaartekracht aan het oppervlakte tot oneindig toe. Zij kan nu niet langer gecompenseerd worden door de tegenwerkende druk die immers een eindige waarde heeft; het hemellichaam zal dus onherroepelijk naar het middelpunt samentrekken.

De vraag naar het gevolg van de oneindige toename van de zwaartekracht wanneer een hemellichaam kleiner wordt dan de Schwartzschildbol, is dus beantwoordt: zij produceert een catastrofale, onstuitbare samentrekking. De relativistische collaps. Dit levert een object op dat we een zwart gat nomen. Ze zijn niet alleen zwart, aangezien ze geen licht uitstralen, maat het zijn ook echt gaten in de ruimte en tijd.

De zwaartekrachtstraal van de aarde is ongeveer een centimeter massa. Een berg van een miljard ton veranderd pas in een zwart gat wanneer hij wordt samengeperst tot de afmetingen van een atoomkern!!

Een gat in de tijd
We hebben reeds opgemerkt dat de tijd volgens Einsteins zwaartekrachtstheorie trager verstrijkt naar mate een klok zich dichter bij de zwaartekrachtsstraal bevindt.Zo zullen de trillingen in atomen die licht uitstralen ook worden vertraagd, waardoor de fotonen die in deze ontstaan verrood, met een lagere frequentie aankomen bij de waarnemer.

Een waarnemer ziet wanneer sterrenmaterie door de zwaartekracht wordt opgenomen deze massa vertragen. Voor de waarnemer duurt het oneindig lang voordat het oppervlak van de ster de Schwartzschildbol bereikt, alsof de ster op de zwaartekrachtstraal blijft steken.De stof zal steeds roder licht uitstralen en de helderheid steeds minder worden.

Wat heeft het voor zin om van een afmeting kleiner dan de zwaartekrachtsstraal te spreken als het contractieproces naar de zwaartekrachtsstraal oneindig lang duurt. Hier openbaart zich een van de belangrijkste feiten van ATR: de relativiteit van tijdsintervallen, die afhankelijk blijken te zijn van de bewegingstoestand van de waarnemer. Bedenk dat een zelfde proces voor verschillende waarnemers een verschillende duur kan hebben.

de trage verdraaiing van de elliptische baan van de planeet Mercurius over een hoek van drieënveertig boogseconden per eeuw vormde de eerste bevestiging van Einsteins zwaartekrachtstheorie.

De meest interessante en ongewone voorspelling mbt hemelmechanica is de mogelijkheid dat objecten die uit de ruimte afkomstig zijn die op een bepaalde afstand van de zwaartekrachtstraal komen door de zwaartekracht van het zwarte gat ingevangen worden. Waar het veld zwak is zijn de wetten van Newton geldig en volgt de materie parabolische baan, maar wanneer het dicht genoeg bij het zwarte gat komt wijkt de baan sterk van een parabool af. De baan zal als hij dicht bij de cirkel van 2 zwaartekrachtstralen komt op die cirkel worden opgewonden. Het wordt ingevangen en zal nooit meer vrij komen. Komt het nog dichter bij dan zal het erin vallen.

Tenslotte wijd ik nog enkele woorden aan een ander belangrijk proces dat optreedt bij beweging in het zwaartekrachtsveld van een zwart gat. Het uitzenden van gravitatiegolven, met de snelheid van het licht. Deze kunnen gedetecteerd worden door de afstand tussen ballen te meten. In werkelijkheid zijn gravitatiegolven buitengewoon zwak; ze worden uitgestraald bij de versnelling van zware lichamen. Zelfs bij de bewegingen van hemellichamen is de uitgezonden zwaartekrachtsstraling nog verwaarloosbaar klein. Pogingen om laboratoriumopstellingen te ontwerpen die deze golven uitstralen zijn gedoemd om te ,mislukken. De intensiteit van de straling is gering, maar het proces duurt wel enorm lang. De totale hoeveelheid uitgestraalde energie zal zeer groot zijn.

Bij kernreacties van waterstof in helium wordt een bepaald deel van massa omgezet in energie. Bij geen enkele fusiereactie is dat gedeelte groter dan een procent. Maar in het geval van het uitzenden van gravitatiegolven tijdens de beweging rond een zwart gat is het percentage 6X zo groot.

Bij de voortplanting van licht in de nabijheid van een zwart gat wordt de frequentie van de lichtgolven veranderd: hoe kleiner de afstand, des te groter de frequentietoename en andersom.

Tot nu toe hebben we ons uitsluitend beziggehouden met zwarte gaten die ontstaan bij het samenpersen van bolvormige lichamen en dus een symmetrisch zwaartekrachtsveld hebben. Wat voor zwart gat zouden we krijgen wanneer het samengeperste object niet bolvormig is, maar bijvoorbeeld afgeplat.

In de allereerste ogenblikken na zijn geboorte zal het zwarte gat een verwrongen, afgeplatte vorm hebben. Maar die vorm kan zich niet lang handhaven. Een vervormd zwart gat krijgt snel zijn gladde bolvorm. Alle overtollige details worden in de vorm van gravitatiegolven weggestraald.

Massa is enige bepalende factor voor de eigenschappen van een zwart gat,los van elektrische lading! In het volgende gedeelte zullen we zien dat de rotatie veranderingen teweegbrengt i het zwaartekrachtsveld en dus, in aanvulling op massa en elektrische lading een laatste parameter vormt die het zwarte gat kenmerkt.

Volgens Newtons theorie is een zwaartekrachtveld op geen enkele manier afhankelijk va de beweging van de materie. Maar volgens Einstein is dat wel het geval

De collaps van een roterend hemellichaam leidt tot de vorming van een roterend zwart gat. Het wordt dan omgeven door een wervelend zwaartekrachtsveld dat tijdens de collaps werd achtergelaten. Hoe sneller het zwarte gat roteert des te verder ligt de ergosfeer. Een object dat de ergosfeer bereikt of oversteekt kan door geen enkele kracht op zijn plaats worden gehouden. Het veld voert het object mee in een beweging ten opzichte van het zwarte gat.

De ergosfeer vormt dus niet de begrenzing van het zwarte gat, aangezien een object uit de ergosfeer kan ontsnappen. Laten we eens bekijken war er met zon object gebeurt wanneer het nog dichter bijkomt. Tijdens die reis naar binnen toe bereiken we ten slotte de grens van het zwarte gat: de horizon. In het gebied tussen de horizon en de statische limiet , de ergosfeer zorgt de zwaartekracht ervoor dat alle objecten cirkelbanen beschrijven om het zwarte gat.

Wat ziet een ver verwijderde waarnemer wanneer een object in een zwart gat valt. Die ziet hoe het licht dat door deze objecten wort uitgestraald steeds verder naar het rood wordt verschoven en steeds zwakker wordt; uiteindelijk dooft het volledig uit.

Er is geen enkel proces denkbaar om een zwart gat kleiner te maken. Is er eenmaal een zwart gat ontstaan, dan is het soort bodemloze put die met niets opgevuld of gedicht kan worden: zwarte gaten zijn eeuwige gaten in ruimte en tijd, die alleen maar kunnen groeien ten koste van materie die erin valt.

In werkelijkheid is het niet zo somber: kwantumprocessen brengen daar toch veranderingen in teweeg.

Tot nu toe hebben we het gehad over processen die zich afspelen I de ruimte rondom een zwart gat. Nu richten we ons op het meest intrigerende aspect: we gaan proberen de rand van het zwarte gat te benaderen, het randje van deze bodemloze afgrond en doen een poging naar binnen te kijken. In principe is een reis mogelijk. Wat staat de reiziger te wachten?

Onder gewone omstandigheden bijvoorbeeld in een ruimteschip in een baan om de aarde, zijn getijdenkrachten natuurlijk verwaarloosbaar klein en blijven ze onopgemerkt. Hetzelfde geldt voor gewone objecten op het oppervalk van de aarde. Getijdenkrachten (verschillende kracht zwaartekracht op object in de buurt van bijvoorbeeld zwart gat) zijn evenredig aan de afmetingen van het object. Vandaar dat ze wel degelijk merkbaar zijn voor de aarde als geheel in het zwaartekrachtsveld van de maan. Deze krachten veroorzaken de getijden in de oceanen, waaraan de krachten hun naam ontlenen.

Teneinde de reis zo lang mogelijk te overleven, moet het ruimtevaartuig de volgende manoeuvre uitvoeren: Tijdens de val in het zwarte gat moeten de raketmotoren op volle kracht draaien, zodat het ruimteschip vlak bij de horizon tot stilstand komt. Dan moeten de motoren worden afgezet, waarna het schip een vrije val maakt langs de straal van het zwarte gat ( van de horizon naar de singulariteit). De duur van de val is de maximale levensduur. Elke poging van de astronaut om de raketmotoren re gebruiken voor het vertragen van de val in het zwarte gat of om het ruimtevaartuig in een baan er om heen te bewegen, zal de valtijd alleen maar bekorten.

Hoe is dit mogelijk vraagt u zich af. U zult het ermee eens zijn dat de raketmotoren niet in staat zijn de overweldigende aantrekkingskracht van het zwarte gat te overwinnen en het ruimtevaartuig tot stilstand te krijgen, maar afremmen moet er toch minstens voor zorgen dat de val een klein beetje vertraagd wordt en dus wat langer duurt? Is de versnelling van de val door het vertragen van de beweging bovendien niet pure nonsense?

Nee deze gang van zaken is wel degelijk mogelijk. Het punt dat de astronaut zijn raket versneld ten opzichte van een vrij vallende raket. We hebben eerder al gezien dar de tijd in een versnelde raket trager verstrijkt. In een zwart gat is dit verschil van doorslaggevend belang. Raket a valt hoe dan ook in de singulariteit, maar gezien vanuit de raket b wordt de klok in A aanzienlijk vertraagd, zodat de val alles bijelkaar minder tijd in beslag zal nemen volgens klok a. Omdat hij langzamer loopt verstrijken er op klok a minder seconden. Dat is wat je noemt een paradox!

We hebben dit akelige gedachte-experiment beschreven om een essentieel kenmerk te illustreren van het fundamentele verschijnsel in het binnenste van een zwart gat: een ongelimiteerde toename van getijdenkrachten eindigend in singulariteit. Waarom is dat zo belangrijk. De reusachtige getijdenkrachten in de omgeving van de singulariteit modificeren in feite de natuurwetten die in minder externe omstandigheden geldig zijn. Een aantal daarvan zal in de tweede deel can dit boek worden behandeld. Voorlopig volstaat het te zeggen dat ruimte en tijd in de singularitei niet alleen sterk gekromd zijn maar dat ze hun continu karakter kunnen verliezen en uiteen kunnen vallen in afzonderlijke ondeelbare intervallen of quanta.

In de gebruikelijke zin van het woord is een zwart gat geen hemellichaam en het is geen straling. Zwarte gaten vormen gaten in ruimte en tijd, die ontstaan zijn door een extreem sterke kromming van de ruimte en door veranderingen in de snelheid waarmee de tijd verstrijkt in het snel sterker wordende zwaartekrachtveld. Alles wat overblijft is een zwaartekrachtveld dat volledig gekenmerkt wordt door slechts 2 parameters massa en rotatie.

Speurtocht naar BH
Neutronensterren werden in 1967 vrij toevallig ontdekt door een groep Britse astronomen onder leiding van Antony Hewish (33 jaar na de theoretische voorspelling). Het bleek dat er dicht bij het oppervlak van neutronensterren actieve gebieden voorkomen die sterk gerichte bundels van radiostraling uitzenden. De fitsen van radiostraling van pulsars volgden elkaar zeel snel op, met een periode van een seconde of minder. Uit deze rotatieperiode blijkt dat de middenlijn van de ster niet groter kan zijn dan enkele tientallen kilometers. Een pulsar is het eindstadium van het actieve leven van een niet al te zware ster, minder dan ongeveer 2 zonmassa’s.

Wanneer een ster na het opraken van zijn kernbrandstof na de daaropvolgende contractie en na de eventuele afstoten van zijn buitenlagen nog steeds zwaarder is dan de kritische waarde van 2 zonmassas, dan is de reusachtige druk in de superdichte kernmaterie volgens de berekeningen ontoereikend om weerstand te bieden aan een verder samentrekking, zodat de vorming van een zwart gat als einstadium in de evolutie onvermijdelijk is.

In de jaren zestig werden actieve kernen van sterrenstelsels en quasars ontdekt die krachtiger straalden dan duizenden miljarden sterren, en de ontdekking van de micro-achtergrondstraling die het overblijfsel vormt van de eerste momenten uit de uitdijing van het heelal. Tegen deze achtergrond gezien leken neutronensterren en zwarte gaten niet langer exotisch. Pulsars werden ontdekt nu was het de beurt aan zwarte gaten.

Een zwart gat moet passerende lichtstralen afbuigen. Wil dit effect merkbaar zijn dan moeten de lichtbron, het zwarte gat en de waarnemer zo nauwkeurig ten opzichte zijn gepositioneerd. Er moest een natuurkundig verschijnsel gevonden worden waarin ee zwart gat een actieve en ondubbelzinnige rol zou spelen. Dat verschijnsel werd gevonden: de val van gas in het zwaartekrachtsveld. Tijdens die val moet de energie van het magnetisch veld omgezet worden in hitte. Verhitte elektronen zenden straling uit. De helderheidfluctuaties daarvan zouden zichtbaar moeten zijn.

Nieuwe methode van zoeken in 1966. Wanneer een zwart gat in een zeer nauw dubbelsysteem materie van zijn buur opeet. Gas kan niet zomaar in zwart gat vallen: als gevolg van de baan beweging zal het een schijf vormen die erom heen draait. Het verhitte gas zendt rontgenstraling uit. Om naar rontgenstraling te zoeken moeten telescopen buiten de van dampkring gebracht worden. Er treedt bij zwart gat geen zoeklichteffect op, dus er moet gezocht worden naar rontgenstraling die geen pulsars zijn. Eerste bron Cygnus X-1. Is een zwart gat van ongeveer 10 zonmassas zuigt gas op uit de atmosfeer van de normale reuzenster van circa 20 zonnenmassas. Grootste deel van straling komt uit het binnenste delen van de gasschijf, uit een gebied met een middenlijn van niet meer dan 200 meter. Het zwart gat is ongeveer 30 km in grootte.

Tot nu toe hebben we het gehad over de vorming van zwarte gaten van stellaire oorsprong in het heelal. Er zijn er ook met andere ontstaansgeschiedenis. Begin jaren zestig werden er vreemde objecten ontdekt: de quasars, deze objecten liggen ver buiten ons eigen melkwegstelsel. Het zijn enorme energiecentrales: hun licht is soms groter dan die van 100 sterrenstelsels. Hoewel een quasar helderder is dan 10 biljoen zonnen, is hij toch ongelofelijk klein: slechts 1000 keer zo groot als het zonnenstelsel. Momenteel is er maar een serieuze kandidaat voor de centrale motor: een reusachtig zwart gat met een massa van honderden miljoenen zonmassas. De middenlijn van zo’n zwart gat is een miljard kilometer. Het gas dat zich in grote sterrenstelsel wordt naar het middelpunt gedreven. De samenpersing ervan moet leiden tot de vorming van een zwart gat.

In de jaren 70 zou het idee dat een zwart gat de eeuwigheid had ontkracht worden. De boodschap was dat ze kunnen verdwijnen als gevolg van kwantumprocessen die optreden in sterke zwaartekrachtsvelden.

De lege ruimte is niet leeg. Hij is gevuld met een zee van ongeboren, zogeheten virtuele deeltjes en antideeltjes. Virtuele deeltjes kunnen niet zomaar verwijderd worden. Wanneer er geen extern veld aanwezig is dus wanneer er geen energie aan ze wordt overgedragen kunnen virtuele deeltjes niet in reële deeltjes worden omgezet. OP elk punt in de lege ruimte verschijnt gedurende zeer korte tijd een deeltje met zijn bijbehorende antideeltje vrijwel onmiddellijk smelten de twee deeltjes weer samen en verdwijnen ze.

In 1974 deed Hawking een sensationele ontdekking: Hij wist aan te tonen dat er een kwantumproces bestaat waarin deeltjes gecreëerd worden door het zwarte gat zelf en zijn zwaartekrachtsveld en dat de massa en de grootte van het zwarte gat door dit proces afnemen. Het punt is dat het veld binnen het gat helemaal niet

Bevroren is. Er is daar geen onveranderlijkheid in de tijd mogelijk en alles in het zwarte gat moet bewegen en naar het middelpunt vallen. Dat gegeven leidt tot het fantastische proces dat Hawking ontdekte.
 

U zult zich herinneren dat er in een vacuüm onder normale condities gedurende zeer korte periode paren van deeltjes en antideeltjes ontstaan. Die vervolgens samensmelten en verdwijnen. In het zwaartekrachtsveld van een zwart gat is het mogelijk dat een van de zo gecreëerde deeltjes zich onder de horizon bevindt en onmiddellijk naar het middelpunt begint te van vallen, terwijl het andere deeltje buiten de horizon blijft. Dit laatste deeltje vliegt weg in de ruimte en draagt een deel van de energie, en dus de massa van het zwarte gat met zich mee. Zwarte gat vertonen om die reden een soort quantumstraling van deeltjes. In werkelijkheid is dit proces te verwaarlozen ten opzichte van de groei door gasatomen en straling die zwart gat binnenvallen.

Een zwart gat dat geheel op zichzelf is zonder invloeden van buitenaf(theoretisch), zal worden omgezet in thermische straling: kwantumverdamping. Het grote belang van zijn ontdekking ligt in de verwerping van het denkbeeld van eeuwig levende zwarte gaten. Er is meer. Wanneer de massa van een klein zwart gat tijdens verdampingsproces afneemt, neemt de temperatuur toe. Is de massa eenmaal afgenomen tot 1000 ton, dan bedraagt de stralingstemp 10-17 graden. De verdamping verandert in een fantastische explosie! De laatste honderden tonnen, samengeperst in een microscopisch klein gebiedje worden in een tiende van een seconde door het zwarte gat uitgestraald. Volgens berekeningen zal een zwart gat dar vrij is van externe invloeden pas na een periode van 10-66 jaar verdampen en exploderen.

Zwarte gaten met een kleine massa hebben een hogere temperatuur. Een zwart gat produceert 81 % neutrino;s 17% fotonen en 2% gravitonen Zwarte gaten die lichter zijn dan 10-17 a 10-16 gram hebben temp die hoger is dan 10-9 a 10-10 graden. Naast bovengenoemde deeltjes produceren die ook elektron-positronparen. Die hebben slechts een afmeting van 10-(-11) centimeter 1000 maal zo klein als de middenlijn van het atoom. Deze hadden vlak na de oerknal ontstaan kunnen zijn, maar zijn nu verdampt volgens theorie van Hawking.