De grootste mythe over zwarte gaten
veel massa in zo ‘ n klein volume dat er een waarnemingshorizon bestaat: een gebied waaruit niets, zelfs licht, kan ontsnappen. Toch betekent dit niet per se dat zwarte gaten materie inzuigen; ze worden gewoon aangetrokken. J. Wise/Georgia Institute of Technology en J. Regan/Dublin City University zijn enkele van de vreemdste, meest wonderlijke objecten in het hele universum. Met enorme hoeveelheden massa geconcentreerd in een extreem klein volume, storten ze onvermijdelijk in tot singulariteiten, omgeven door gebeurtenishorizons waaruit niets kan ontsnappen. Dit zijn de dichtste objecten in het hele universum. Als er iets te dichtbij komt, verscheuren de krachten van het zwarte gat het.; wanneer een materie, antimaterie of straling de waarnemingshorizon passeert, valt het simpelweg neer op de centrale singulariteit, waardoor het zwarte gat groeit en zijn massa toevoegt.
deze eigenschappen over zwarte gaten zijn allemaal waar. Maar er is een geassocieerd idee dat absoluut fictie is: zwarte gaten zuigen omringende materie in hen op. Dit kan niet verder van de waarheid zijn, en geeft volledig verkeerd weer hoe zwaartekracht werkt. De grootste mythe over zwarte gaten is dat ze waardeloos zijn. Hier is de wetenschappelijke waarheid.
met een gebeurtenishorizon waaruit niets kan ontsnappen, en voor het kannibaliseren van zijn buren. Maar er is geen ‘zuigen’ om het te veroorzaken, gewoon de verstoring van de materie en af en toe een infall van materiaal. X-ray: NASA/CXC/UNH/D. Lin et al, optisch: CFHT, illustratie: NASA/CXC/M. Weiss
zowel in principe als in de praktijk zijn er veel verschillende manieren om een zwart gat te vormen. Je kunt een grote, massieve ster gaan supernova, waar de centrale kern implodeert en vormt een zwart gat. Je kunt twee neutronensterren zien samensmelten, waar als ze een specifieke massadrempel overschrijden ze resulteren in een nieuw gevormd zwart gat. Of je zou een grote verzameling materie kunnen hebben — ofwel een superzware ster of een enorme wolk van samentrekkend gas-die direct instort tot een zwart gat.
met voldoende massa in een voldoende geconcentreerd ruimtevolume, zal er een waarnemingshorizon omheen ontstaan. Van buiten de waarnemingshorizon kun je nog steeds ontsnappen als je met de snelheid van het licht wegloopt van het zwarte gat. Maar als je je binnen de waarnemingshorizon bevond, dan zou zelfs bewegen op c, de ultieme kosmische snelheidslimiet, elk pad dat je zou kunnen nemen, je nog steeds naar de centrale singulariteit leiden. Er is geen ontsnapping vanuit de waarnemingshorizon van een zwart gat.
alles binnen de waarnemingshorizon kromt tot een singulariteit die hoogstens eendimensionaal is. Geen driedimensionale structuren kunnen intact overleven. Vraag de Van / UIUC Physics Department
naar objecten buiten het zwarte gat, maar er zijn nog steeds veel problemen. Omdat zwarte gaten zulke enorme objecten zijn, als je er dichtbij komt, begin je significante getijdekrachten te ervaren. Je bent misschien het meest bekend met getijdekrachten van de Maan en hoe die met de aarde omgaat.
zeker, gemiddeld kun je de maan als een puntmassa behandelen en de aarde als een puntmassa, gescheiden door de relatief grote afstand van 380.000 kilometer of zo. Maar in werkelijkheid is de aarde geen punt, maar een object dat een echt, gegeven volume inneemt. Delen van de aarde zullen dichter bij de maan zijn dan andere; delen zullen verder weg zijn. De dichterbij gelegen delen zullen een grotere aantrekkingskracht van de zwaartekracht ervaren dan gemiddeld; De verder weg gelegen delen zullen een kleinere aantrekkingskracht ervaren dan gemiddeld.
er zal een kracht zijn die het in de richting van een externe gravitatiemassa trekt. Verschillende punten langs dat object zullen iets verschillende krachten ervaren, wat resulteert in een netto getijdekracht: de verschillen tussen de kracht op de afzonderlijke punten versus de gemiddelde nettokracht op het gehele object. Department of Oceanography, Naval Postgraduate School
maar er is meer dan alleen het feit dat delen van de aarde dichter en delen verder van de maan zijn. Zoals alle fysieke objecten is de aarde driedimensionaal, wat betekent dat de “bovenste” en “onderste” gebieden van de aarde (vanuit het oogpunt van de maan) naar binnen worden getrokken, naar het centrum van de aarde, ten opzichte van de delen in het midden.
alles bij elkaar genomen, als we de gemiddelde kracht van elk punt op aarde Aftrekken, kunnen we zien hoe alle verschillende punten op het oppervlak de externe krachten van de maan anders ervaren. Deze krachtlijnen brengen de relatieve krachten in kaart die een object ervaart, en verklaren waarom objecten die getijden ervaren langs de richting van de kracht worden uitgerekt en loodrecht op de richting van de kracht worden samengedrukt.
tot de gemiddelde nettokracht, terwijl verschillende punten weg van het centrum differentiële nettokrachten zullen ervaren. Dit resulteert in een’ spaghettifiërend ‘ effect. Krishnavedala/Wikimedia Commons
hoe dichter je bij een massief object komt, hoe groter deze getijdekrachten worden; de getijdekrachten worden nog sneller groter dan de gravitatiekracht! Omdat zwarte gaten zowel extreem massief als extreem compact zijn, genereren ze de grootste bekende getijdekrachten in het universum. Dit is waarom, als je een zwart gat nadert, je merkt dat je “spaghettified” wordt, of uitgerekt tot een dunne, noodle-achtige vorm.
Op basis hiervan is het gemakkelijk te begrijpen waarom je zou verwachten dat zwarte gaten je zouden opzuigen: hoe dichter je bij een komt, hoe sterker de aantrekkingskracht van de zwaartekracht wordt en hoe sterker de getijdekrachten die je uit elkaar scheuren worden.
wordt verscheurd door getijdenverstoring als het een zwart gat nadert. Voor een zwart gat met LHC-massa zijn deze krachten onbelangrijk, omdat ze verwaarloosbaar klein zijn, maar voor zwarte gaten zoals het type in het centrum van ons melkwegstelsel, kunnen getijdekrachten dicht bij de waarnemingshorizon enorm zijn. ESO, ESA / Hubble, M. Kornmesser
toch blijft het idee dat je in een zwart gat wordt gezogen een misvatting, en een doozy van één. Elk deeltje dat deel uitmaakt van een object dat wordt beïnvloed door een zwart gat is nog steeds onderworpen aan dezelfde wetten van de fysica, met inbegrip van de gravitationele kromming van de ruimtetijd gegenereerd door de algemene relativiteit.
hoewel het waar is dat de structuur van de ruimte wordt gekromd door de aanwezigheid van Massa, en dat zwarte gaten de grootste massaconcentratie bieden waar dan ook in het universum, is het ook waar dat de dichtheid van die massa niet uitmaakt voor hoe de ruimte is gekromd. Als je de zon zou vervangen door een witte dwerg, neutronenster of zwart gat met dezelfde massa, zou de zwaartekracht die op aarde werkt niet anders zijn. Het is de totale massa die de ruimte om je heen ronddraait; dichtheid heeft er praktisch niets mee te maken.
raster, het neerzetten van een massa zorgt ervoor dat wat ‘rechte’ lijnen zouden zijn in plaats daarvan gebogen worden met een specifieke hoeveelheid. In de algemene relativiteit behandelen we ruimte en tijd als continu, maar alle vormen van energie, inclusief maar niet beperkt tot Massa, dragen bij aan de kromming van de ruimtetijd. Als we de aarde zouden vervangen door een dichtere versie, tot en met een singulariteit, zou de hier getoonde vervorming van de ruimtetijd identiek zijn; alleen binnen de aarde zelf zou een verschil merkbaar zijn. Christopher Vitale van Networkologies en het Pratt Institute is een zwart gat op afstand net als elke andere massa in het universum. Het is pas als je heel dichtbij komt — binnen een paar schwarzschildstralen — dat je de afwijkingen van de Newtoniaanse zwaartekracht begint op te merken. Toch fungeert het zwarte gat gewoon als een attractor, en objecten die het naderen zullen dezelfde banen maken als ze normaal zouden doen: een cirkel, ellips, parabool of hyperbool, tot een zeer goede benadering.
vanwege de getijdekrachten kunnen naderende objecten uit elkaar worden gescheurd, en vanwege de materie die rond het zwarte gat in de vorm van een accretieschijf is geaccrediteerd, kunnen er extra effecten aanwezig zijn: magnetische velden en wrijving en verwarming. Een deel van de materie, gezien deze extra interacties, zal waarschijnlijk worden vertraagd en uiteindelijk opgeslokt door het zwarte gat, maar de overgrote meerderheid zou nog steeds ontsnappen.
Het superzware zwarte gat in het midden van de accretieschijf stuurt een smalle, hoog-energetische straal materie de ruimte in, loodrecht op de schijf. Een blazar op ongeveer 4 miljard lichtjaar afstand is de oorsprong van veel van de hoogste energie kosmische stralen en neutrino ‘ s. Alleen materie van buiten het zwarte gat kan het zwarte gat verlaten; materie van binnen de waarnemingshorizon kan nooit ontsnappen. DESY, Science Communication Lab
het feit is dat zwarte gaten niets inzuigen; er is geen kracht die een zwart gat uitoefent die een normaal object (zoals een maan, planeet of ster) niet uitoefent. Uiteindelijk is het alleen maar zwaartekracht. Het grootste verschil is dat zwarte gaten dichter zijn dan de meeste objecten, een veel kleiner volume ruimte innemen, en in staat zijn om veel zwaarder te zijn dan elk ander object. Saturnus zou prima in een baan om onze zon kunnen draaien, maar als je de zon zou vervangen door het zwarte gat in het midden van de Melkweg — een zwart gat dat zo ‘ n 4.000.000 keer zo zwaar is als de zon — zouden de getijdekrachten sterk genoeg zijn om Saturnus in een enorme ring te breken, waar het deel zou worden van de accretieschijf van het zwarte gat. Gegeven genoeg wrijving, verwarming en versnelling in de aanwezigheid van de zwaartekracht, elektrische en magnetische velden die alle materie genereert, uiteindelijk zou het vallen binnen en worden opgeslokt.
accreteert materie en versnelt een deel ervan naar buiten in twee loodrechte stralen, is een uitstekende descriptor van hoe quasars werken. De materie die in een zwart gat valt, van elke soort, zal verantwoordelijk zijn voor extra groei in zowel massa als gebeurtenis-horizon-grootte voor het zwarte gat. Ondanks alle misvattingen die er zijn, is er echter geen ‘opzuigen’ van externe materie. Mark A. Garlick
zwarte gaten lijken alleen materie in te zuigen omdat ze zo massief zijn, en de combinatie van getijdekrachten en de materie die al aanwezig is rond het zwarte gat kunnen uitwendige objecten uit elkaar scheuren, waar een bepaald deel van verscheurde deeltjes genoeg trekkracht zal ervaren om in de accretieschijf te worden geleid en uiteindelijk in het zwarte gat zelf. Maar zwarte gaten zullen rommelige eters zijn; de overgrote meerderheid van de materie die dicht bij een zwart gat passeert zal in een of andere vorm weer worden uitgespuugd. Het is slechts het kleine deel dat binnen de waarnemingshorizon valt dat het ooit zal doen groeien.
door wrijving, verhitting en het samenspel van geladen deeltjes in beweging ontstaan elektromagnetische krachten die massa binnen de waarnemingshorizon kunnen trekken. Maar op geen enkel punt oefent een zwart gat een zuigkracht uit; slechts een standaard, gewone gravitatiekracht. Mark Garlick (University Of Warwick)
als we elke massa in het universum zouden vervangen door een zwart gat met een gelijkwaardige massa, en al het wrijvingsmateriaal zoals accretieschijven zouden verwijderen, zou er heel weinig naar binnen gezogen worden. De enige wrijving die een deeltje zou ervaren is te wijten aan de emissie van gravitationele straling als het beweegt door de gebogen ruimtetijd gegenereerd door het zwarte gat. Alleen het materiaal dat het binnenste vormde tot drie keer de radius van de waarnemingshorizon — het binnenste van de binnenste stabiele cirkelbaan (Isco) in relativiteit — zou onverbiddelijk worden “gezogen” door het gedrag van Einsteins theorie zelf. Vergeleken met wat in onze fysieke werkelijkheid in de waarnemingshorizon valt, zijn deze effecten verwaarloosbaar.
uiteindelijk zouden we alleen de zwaartekracht hebben, en de gekromde ruimtetijd die zou voortvloeien uit de aanwezigheid van deze massa ‘ s. Het idee dat zwarte gaten iets opzuigen is de grootste mythe over hen. Ze groeien als gevolg van de zwaartekracht, en niets meer. In dit universum is dat meer dan genoeg.
Volg mij op Twitter. Bekijk mijn website of een aantal van mijn andere werk hier.
Leave a Reply