Zwarte gaten zijn objecten met zo’n grote dichtheid, dat zelfs licht niet aan de zwaartekracht kan ontsnappen en omdat niets sneller kan gaan dan het licht, kan ook niets ontsnappen vanuit een zwart gat. Aan de andere kant oefent een zwart gat dezelfde krachten uit op iets ver daar vandaan als een ander object met dezelfde massa zou doen. Bijvoorbeeld, als onze zon op een of andere wijze in elkaar gedrukt zou worden tot een grootte van 1 km³, wordt het een zwart gat, maar de Aarde zou nog steeds in dezelfde baan blijven.

Zelfs terug in Isaac Newton's tijd, speculeerden wetenschappers dat zulke objecten konden bestaan, alhoewel we ze tegenwoordig beter kunnen beschrijven met Einsteins Relativiteitstheorie. Bij gebruik van deze theorie zijn zwarte gaten fascinerende dingen waar ruimte en tijd zo verwrongen wordt dat de tijd feitelijk stopt in de nabijheid van een zwart gat.

Strijdig met de huidige theorie, is er veel zichtbaar bewijs voor het bestaan van twee typen zwarte gaten; zwarte gaten met de massa kenmerkend aan een ster, en zwarte gaten met een massa kenmerkend aan een sterrenstelsel.

Bij het eerste type zijn massa’s gemeten variërend van 4 tot 15 Zonnen en men denkt dat deze gevormd worden tijdens supernova explosies. De nawerking is te zien in sommige röntgenmetingen en zijn bekend als een kandidaat zwart gat.

Aan de andere kant zijn er (mogelijke) zwarte gaten gevonden met de massa van een sterrenstelsel in sterrenstelselclusters. Deze zijn berekend op een massa tussen 10 en 100 miljard Zonnen. De massa van zo’n supermassief zwart gat is onlangs nog gemeten met behulp van radio-astronomie.

ZWARTE GATEN

Er zijn vele populaire mythen wat betreft zwarte gaten, de meeste daarvan verzonnen door de filmbusiness. Televisie en films laten zwarte gaten zien als tijdreismodules naar een andere dimensie, kosmische stofzuigers die alles opzuigen wat er maar in de buurt komt en ga maar door. Het mag gezegd worden dat zwarte gaten het eindpunt zijn van grote sterren. Maar deze simpele verklaring maakt ze niet makkelijker te begrijpen of minder mysterieus.

Zwarte gaten zijn de evolutionaire eindpunten van sterren die 10 tot 15 maal de massa van de Zon zijn. Als een ster van die massa of groter een supernova explosie ondergaat, kan het een behoorlijk massief stuk uitgebrande resten achterlaten. Zonder opwaartse kracht om de gravitatiekracht tegen te gaan, zal de rest instorten. De ster zal uiteindelijk zover instorten tot het punt dat het geen volume meer heeft, en dan ontstaat een fase beter bekend als "De Singulariteit". Als de dichtheid toeneemt wordt het licht dat de ster uitzond gebogen en uiteindelijk om de "ster" heen gewikkeld. Enige uitgezonden fotonen worden gevangen in een baan rond de "ster" door de intense zwaartekracht; ze zullen deze baan nooit verlaten. Omdat er geen licht ontsnapt nadat een ster zijn oneindige dichtheid heeft bereikt, wordt het een zwart gat genoemd.

Maar tegengesteld aan de huidige ideeën is een zwart gat niet een kosmische stofzuiger. Als onze zon ineens vervangen zou worden door een zwart gat met dezelfde massa, dan zou het enigste dat verandert de temperatuur op Aarde zijn. Om in een zwart gat "gezogen" te worden, moet een object binnen de Schwarzschild radius komen. In deze radius is de ontsnappingssnelheid gelijk aan de snelheid van het licht.

De Schwarzschild radius kan berekend worden door middel van de vergelijking van ontsnappingssnelheid.

v_esc = (2GM/R)^1/2

Voor fotonen, of objecten zonder massa, kunnen we v_esc (ontsnappingssnelheid) vervangen voor c (snelheid van het licht), dus dan wordt de Schwarzschild radius ( R ):

R = 2GM/c²

WE ZIEN ZE NIET, MAAR HOE WETEN WE DAN DAT ZE ER ZIJN?

Omdat zwarte gaten klein zijn (een kleine tiental kilometers doorsnede), en licht dat ons de mogelijkheid geeft ze te zien niet kan ontsnappen, zijn zwarte gaten die op zichzelf door de ruimte zwerven moeilijk, zoniet onmogelijk te vinden. Als voorbeeld, de foto hierboven laat de zichtbare collega-ster van het (onzichtbare) kandidaat zwart gat Cygnus X-1 zien.

Maar, als een zwart gat door een interstellaire gaswolk gaat, of het is nabij een "normale" ster, kan het de materie naar zich toetrekken. Als de materie naar het zwarte gat wordt getrokken, neemt de kinetische energie toe, wordt verhit en vervormd door de enorme krachten van het zwarte gat. Het verhitten ioniseert de atomen en wanneer de atomen een temperatuur bereiken van een paar miljoen graden Kelvin, gaan ze röntgenstraling uitzenden. De straling wordt de ruimte in gezonden voordat de materie de Schwarzschild radius bereikt en zich in "De Singulariteit" stort. En dan zien we deze röntgen uitbarsting.

Binaire stralingsbronnen vanuit de ruimte zijn ook de plaatsen waar de kandidaat zwarte gaten te vinden zijn. Een collega-ster is een perfecte bron van invallende materie voor een zwart gat. Aan de hand van een binair systeem kan de massa van het kandidaat zwart gat berekend worden. Als de massa is bepaald kan gekeken worden of de kandidaat een neutronenster of een zwart gat is. Een ander signaal voor het bestaan van een zwart gat is de variatie in de uitgezonden röntgenstraling. De invallende materie die de straling uitzendt valt niet met een gelijke snelheid in het zwarte gat, maar meer in vlagen, wat resulteert in de waarneembare variatie in de stralingssterkte. En als de bron vanuit een binair systeem afkomstig is, zal de straling af en toe onderbroken worden als de bron verduisterd wordt door de collega-ster. Bij het zoeken naar kandidaat zwarte gaten worden al deze dingen in acht genomen. Vele röntgensatellieten hebben de ruimte gescand voor stralingsbronnen die mogelijk kandidaat zwarte gaten kunnen zijn.

Cygnus X-1 is een van de meest waarschijnlijke van de kandidaat zwarte gaten. Het is een hoog variërende en onregelmatige bron met een stralingsemissie dat flikkert met een snelheid van honderdsten van een seconde. Omdat niets de snelheid van het licht kan overtreffen, kan een object niet sneller flikkeren dan de tijd dat het licht nodig heeft om het object te doorkruisen. In een honderdste van een seconde legt licht een afstand van 3000 km af. Dus moet Cygnus X-1 kleiner zijn dan de Aarde! Zijn collega-ster, HDE 226868 is een B0 superreus met een oppervlaktetemperatuur van ongeveer 31000 K. Spectroscopische observaties laten zien dat de spectraallijnen van HDE 226868 heen en weer schuiven in een periode van 5,6 dagen. Vanuit de Mass-Luminosity relatie, is de massa van deze supergigant berekend op 30 keer de massa van de Zon. Cygnus X-1 moet een massa hebben van ongeveer 7 sterrenstelsels want anders kan het niet genoeg aantrekkingskracht produceren om de verstoring in de spectraallijnen van HDE 226868 te veroorzaken. Omdat 7 sterrenstelselmassa’s te groot is voor een witte dwerg of een neutronenster, moet het wel een zwart gat zijn.