27 oktober 2021

De kleur van zwarte gaten

In 2017 maakten zes radiotelescopen verspreid over de hele wereld gezamenlijk een foto van het zwarte gat in het centrum van sterrenstelsel M87. Deze foto van de Event Horizon Telescope (EHT) werd een groot mediasucces. Vanaf dat moment waren zwarte gaten niet langer theoretische objecten waarvan we het bestaan alleen aan de hand van de zwaartekracht konden aantonen. Dat was vroeger. We leven nu in een tijdperk waarin we daadwerkelijk een zwart gat hebben gezien. En inderdaad, het gat is zwart.

Het zwarte gat in het centrum van M87 gemeten door de Event Horizon Telescope. Credit: EHT Collaboration.

Rond het zwarte gat valt heet gas en stof naar het zwarte gat toe. Dit gas en stof straalt onder meer radiogolven uit. De foto van de EHT toont ons deze radiogolven door gebruik te maken van valse kleuren. De kleuren van de ring rond het zwarte gat zijn dus nep. De verandering in de kleuren komt echter wel overeen met hoe de EHT verschillende intensiteit en golflengtes waarneemt.

Zwarte gaten zijn, voor zover we weten, oneindig klein. In het centrum van M87 zit de massa van miljarden zonnen samengepropt in een enkel punt, een singulariteit. Deze immense massa kromt de nabije ruimte dusdanig dat alles, zelfs licht, naar het zwarte gat toe wordt gebogen en wordt opgeslokt. De grens waarop licht nog net kan ontsnappen, heet de event horizon. Vanuit het gebied binnen deze event horizon komt geen licht en dus is het zwarte gat zwart. Maar ook net buiten de event horizon is de ruimte gekromd. Het zorgt ervoor dat de omgeving van het zwarte gat werkt als een lens. Het licht uit de omgeving wordt afgebogen. De foto uit 2017 laat dus niet alleen zien dat alles binnen de event horizon onzichtbaar is. Het toont ook dat de directe omgeving daarbuiten zwart is. De zwarte cirkel van de beroemde foto is dus groter dan de event horizon.

Maar het feit dat zelfs onze beste telescopen geen licht van het zwarte gat kunnen waarnemen, betekent niet dat zwarte gaten niet stralen. In 1974 bedacht de wetenschapper Stephen Hawking een methode om de kwantumeigenschappen van de ruimte nabij een zwart gat te beschrijven. Uit de kwantummechanica volgt dat de ruimte gevuld is met zogenaamde virtuele deeltjes. Deze deeltjes zijn in feite fluctuaties in een kwantumveld. Het is echter gemakkelijker om je in te beelden dat deze deeltjes spontaan ontstaan en ook weer onmiddellijk verdwijnen. Aan de grens van de event horizon van een zwart gat ontstaan paren van dit soort virtuele deeltjes die elkaar meteen weer opheffen. Met een slimme truc kon Hawking laten zien dat een van deze deeltjes door het zwarte gat kan worden opgeslokt, terwijl het andere net kan ontsnappen. Wanneer dat gebeurt, is het ontsnapte virtuele deeltje een echt deeltje geworden. De energie om dit deeltje te maken, komt af van het zwarte gat dat een klein beetje energie verliest. Daarmee hebben zwarte gaten een maximale levensduur van grofweg 10100 jaar.

Zwarte gaten stralen dus wel degelijk. Hawking liet zien dat deze straling overeenkomt met zogenaamde thermische straling. De straling van zwarte gaten is daardoor gelijk aan de straling van een hele koude ster. Een zwart gat met de massa van onze zon heeft een temperatuur van 0,000000060 Kelvin. Dat maakt de kleur van zwarte gaten niet zwart, maar een heeeeeel klein beetje grijs.

In mijn nieuwste video van Het heelal en meer vertel ik meer over de kleuren van het universum.

Aflevering De kleuren van het universum. Gepubliceerd op 20 Mei 2021.

Comments

  1. Paul Bakker zegt

    Begin over kleuren in sterrenkunde en je raakt bij de astrofotografen een open zenuw.
    Dat zwarte gaten in theorie een heel klein beetje elektro-magnetische straling uitzenden is waar. Maar dat je deze straling ‘grijs’ noemt vind ik misleidend. Het suggereert dat de straling in het golflengte gebied zit van ruweg 400 tot 750 nm, daar waar wij mensen de kleuren benoemen.

    Een tweede misleiding is de bewering dat zwarte gaten oneindig klein zijn voor zover we weten. Dat weten we namelijk helemaal niet, ook niet “voor zover”. We weten dat de wiskundige oplossing van de Algemene Relativiteitstheorie (AR) voor een zwart gat op een singulariteit uit komt. Maar we weten ook dat de AR op zeer kleine schaal onverenigbaar is met de quantumfysica. Daarbij is een singulariteit in een wiskundige oplossing altijd een sterke aanwijzing dat er iets met de theorie niet deugt, of laat ik het beter zeggen, dat het verfijning of aanvulling behoeft.

    • Hoi Paul,

      Bedankt voor je reactie.

      In heb inderdaad niet uitgeweid over waarom de kleur grijs is. Het antwoord is dat de Planck curve bij hele lage temperaturen steeds vlakker gaat lopen. Dus als we kijken naar de golflengtes van het zichtbare licht, dan heeft iedere golflengte van het zichtbare licht vrijwel dezelfde intensiteit. Dat noemen we grijs. Zoals je al stelt is dat puur theoretisch, want deze straling is te zwak om ooit waar te kunnen nemen. Maar theoretisch klopt het wel. Indien we een super-super-super optische telescoop zouden bouwen en heel lang naar een zwart gat staren, dan zou het licht van het zwarte gat grijs zijn.

      Voor zover we weten zijn zwarte gaten wel degelijk oneindig klein. Zoals je al aangeeft volgt dit uit de AR en deze uitkomst is in strijd met wat we in de kwantummechanica verwachten. Maar we hebben geen theorie van kwantumzwaartekracht. Dus totdat zo’n theorie bestaat, blijf ik bij mijn stelling dat voor zover we weten zwarte gaten wel degelijk oneindig klein zijn.

      • Maar deze stelling is aanvechtbaar en slechts een van de vele meningen hierover. Zat te vinden op internet https://www.space.com/what-happens-black-hole-center en allen onder voorbehoud mocht er iemand opstaan die het echt begrijpt. Oneindig klein is per definitie iets wat niet bestaat omdat er een limiet ontbreekt, het is een theoretisch begrip. https://nl.wikipedia.org/wiki/Singulariteit_(wiskunde)

        • Hoi Nico,

          Leuk artikel! Hier nog wat gedachten over dit onderwerp.

          Binnen de theoretische natuurkunde bestaat oneindig klein inderdaad, zoals in AR. Of het universum dit concept ook toestaat, is aan het universum. Sterrenkundigen proberen een zo eenvoudig mogelijke wiskundige beschrijving te geven van het universum die voldoet aan alle waarnemingen. Indien het universum letterlijk de regels van AR volgt, dan zou oneindig klein wel degelijk bestaan. Net zoals dat het universum misschien wel oneindig groot is. Onze huidige waarnemingen tonen vooralsnog geen enkele afwijking met AR.

          Een tegenargument is dus dat dit in strijd is met kwantummechanica, wat een singulariteit niet toestaat. Kwantummechanica komt voort uit waarnemingen waar zwaartekracht geen rol speelt. We weten dus niet hoe we dit moeten toepassen bij extreme massa, zoals een zwart gat. We kunnen hier dan ook louter over speculeren. AR is wel van toepassing op een zwart gat.

          Maar zowel jij als Paul hebben gelijk dat de consensus is dat zwarte gaten geen singulariteit hebben. Lijkt mij een leuk onderwerp voor een volgende blog of filmpje.

      • “Voor zover we weten zijn zwarte gaten wel degelijk oneindig klein.”

        Je formuleert het niet helemaal goed misschien? Zwarte gaten met meer massa hebben immers een grotere radius? Ze zijn geen van alle oneindig klein. Je bedoelt de singulariteit (?) maar ook dan kan je wel met AR rekenen en niet op oneindig klein uitkomen.

        Enne… ze zijn ook geen punt… Zwarte gaten (ook die in M87) hebben een spin, analoog aan rotatie, waardoor een singulariteit de vorm van een ring krijgt.

        Ik ben het wel met je eens dat ze grijs zijn. Leuk stuk en prettig geschreven!

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.