Brian Cox on black holes

 Brian Cox legt uit dat wat zich binnenin een zwart gat bevindt, het “einde van ruimte en tijd” is: een singulariteit waar onze bekende natuurwetten niet meer gelden. Om dit te begrijpen, is een combinatie van de algemene relativiteitstheorie en de quantummechanica nodig. Hij benadrukt dat zwarte gaten niet alleen theoretische eindpunten zijn, maar ons ook kunnen helpen om een dieper inzicht in de realiteit als geheel te krijgen.

Verschillende soorten zwarte gaten

Stellaire zwarte gaten ontstaan wanneer de overgebleven kern van een ster na een supernova meer dan 3 zonsmassa’s weegt, en de oorspronkelijke ster tussen de 20 en 25 zonsmassa’s had. Bij neutronensterren is dat anders: die vormen zich wanneer de overgebleven kern ongeveer 2 tot 3 zonsmassa’s weegt, en de oorspronkelijke ster tussen de 10 en 20 zonsmassa’s had. 

Superzware zwarte gaten (SMBH's) ontstaan uit de kernen van vroege sterrenstelsels, waar grote hoeveelheden materie onder invloed van zwaartekracht samenklonterden, mogelijk via de fusie van stellaire zwarte gaten en materie. Maar hun vroege, massieve vorming is nog een groot mysterie, zeker gezien de ontdekking van extreem zware exemplaren in het jonge heelal.

Extreem zware zwarte gaten

Een vroege generatie van kleinere zwarte gaten kan fuseren tot één superzwaar zwart gat. Dit proces van samensmelting is een van de belangrijkste verklaringsmodellen voor het ontstaan van de enorme zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels.

Most-detailed collision of black holes provides strongest evidence yet...

De meest gedetailleerde botsing van zwarte gaten levert tot nu toe het sterkste bewijs om Hawkings' 50 jaar oude voorspelling te ondersteunen.

Zwarte gaten in het vroege universum

In de allereerste momenten na het ontstaan, bevond het heelal zich in een toestand van extreme hitte en dichtheid. De eerste structuren werden gevormd uit gas en donkere materie dat samenpakte. In bepaalde gebieden, waar de massa zó sterk opeengepakt was, kon materie zich gemakkelijk samenvoegen tot een uiterst dichte kern – een typisch kenmerk van een zwart gat. Als deze samengevoegde structuren groot genoeg waren, zou de zwaartekracht hen kunnen hebben doen ineenstorten om een zwart gat te vormen. 

In plaats van te beginnen als een kleine ster, kunnen enorme gaswolken in het vroege heelal direct zijn ingestort tot een ‘beginnend zwart gat’ van 10⁴ tot 10⁶ zonsmassa's. Dit verklaart hoe ze zo snel zo groot konden worden zonder de tussenstap van een normale ster. Sommige vroege zwarte gaten gingen door een gulzige groeifase, waarbij ze enorme hoeveelheden materie opslokten.

Volgens een alternatieve theorie ontstonden zwarte gaten direct na het ontstaan van het universum, door schommelingen in de dichtheid, nog vóórdat de eerste sterren gevormd werden. Deze worden Primordiale Zwarte Gaten genoemd, hierover later meer.

Recente data suggereren zelfs dat zwarte gaten mogelijk vóór de eerste sterrenstelsels ontstonden en fungeerden als "motoren" die de vorming van de eerste stelsels versnelden: A fast-growing supermassive black hole in the early universe

Hawkingstraling

Zwarte gaten worden zo genoemd omdat hun zwaartekracht zo extreem sterk is dat zelfs licht niet kan ontsnappen, waardoor ze onzichtbaar zijn. Hoewel........er is een theoretisch concept, voorgesteld door de natuurkundige Stephen Hawking. 

Bron video: ScienceClic

Het volgende communiceerde ik met twee verschillende AI-assistants:

Volgens Stephen Hawking produceren zwarte gaten een soort deeltjesstraling als gevolg van quantumeffecten vlak bij de gebeurtenishorizon. Daar ontstaan tijdelijk quantumfluctuaties, waarbij deeltjes en antideeltjes uit het niets verschijnen. Meestal vernietigen deze deeltjes elkaar meteen, maar als zo’n paar vlak bij de gebeurtenishorizon ontstaat, kan het gebeuren dat één deeltje in het zwarte gat valt terwijl het andere ontsnapt.

De deeltjes die in een zwart gat gaan vallen, kunnen quantumverstrengeld zijn. Vóórdat ze de gebeurtenishorizon passeren, kunnen ze verstrengeld zijn geweest met andere deeltjes, zowel op korte afstand als op lichtjaren afstand. Wanneer één gedeelte van de verstrengelde deeltjes de gebeurtenishorizon binnengaan, roept dit vragen op over de Informatieparadox. Als informatie over deze verstrengelde toestanden verloren gaat wanneer iets in een zwart gat valt, wat gebeurt er dan met de verstrengeling?

Het idee is dat als een deeltje in het zwart gat valt, de informatie over de toestand of verstrengeling kan worden beïnvloed, wat mogelijk invloed heeft op de straling die het zwarte gat uitzendt. Dit is een onderwerp van lopend onderzoek binnen de theoretische natuurkunde, waarbij wetenschappers proberen te begrijpen hoe verstrengeling en informatie werken binnen het kader van een zwart gat.

Hoe komt die straling, die verdamping dan tot stand?

De straling komt tot stand door quantummechanische effecten nabij de gebeurtenishorizon van een zwart gat.

• In het vacuüm rondom het zwarte gat ontstaan continu quantumfluctuaties. Dit betekent dat deeltjes en hun antideeltjes tijdelijk kunnen ontstaan en weer verdwijnen.
• Soms kunnen deze fluctuaties resulteren in een deeltje en z’n antideeltje die ontstaan dicht bij de gebeurtenishorizon.
• Als één van deze deeltjes de gebeurtenishorizon overschrijdt en in het zwarte gat belandt, kan het andere deeltje ontsnappen. Dit ontsnapte deeltje wordt waargenomen als Hawkingstraling.

Als één van deze deeltjes de gebeurtenishorizon overschrijdt en in het zwarte gat belandt, kan het andere deeltje ontsnappen. Waarom het ene deeltje wel en het andere niet?

• Wanneer een deeltje en z’n antideeltje ontstaan, hebben ze doorgaans gelijke en tegenovergestelde energieën. Als één deeltje voldoende energie heeft om de zwaartekracht van het zwarte gat te overwinnen, kan het ontsnappen.
• Het deeltje dat in het zwarte gat valt, heeft zonder enige twijfel negatieve energie in relatie tot het buitenste deeltje. Dit betekent dat het deeltje "verliest" aan energie wanneer het de gebeurtenishorizon overschrijdt.
• Deeltjes in quantummechanica gedijen door hun toestand en hebben een kans om zich anders te gedragen. De kans dat een deeltje ontsnapt of wordt opgeslokt hangt af van hun specifieke quantumtoestanden op het moment van hun creatie.
• De fluctuerende natuur van quantummechanica betekent dat de uitkomst van deze processen onzeker is, wat resulteert in de mogelijkheid dat één deeltje kan ontsnappen terwijl het andere vast komt te zitten.

Het onzekerheidsprincipe en de golffunctie zijn cruciaal in het proces van Hawkingstraling en quantumfluctuaties in de buurt van een zwart gat.

• Onzekerheidsprincipe: Dit principe stelt dat je niet tegelijkertijd de exacte positie en snelheid van een deeltje kunt kennen. Dit betekent dat er altijd enige mate van onzekerheid is, wat de creatie van deeltjes en antideeltjes in het vacuüm mogelijk maakt.
• Golffunctie: De golffunctie beschrijft de kansverdelingen van een deeltje en zijn eigenschappen. In het geval van deeltjes die ontstaan nabij de gebeurtenishorizon, kan de golffunctie de verschillende toestanden van de deeltjes weergeven, inclusief hun mogelijkheid om te ontsnappen of in het zwarte gat te vallen.

Hoewel de emissie van Hawkingstraling heel zwak is, kan het op de lange termijn leiden tot het verdwijnen van het zwarte gat als het niet in staat is om massa van zijn omgeving te absorberen.

Waarnemingshorizon versus gebeurtenishorizon

• Waarnemingshorizon: dit is het punt vanaf waar je licht en andere informatie kunt waarnemen. Het vormt de grens van wat we vanaf een bepaalde afstand kunnen zien.

• Gebeurtenishorizon: dit is de echte grens van een zwart gat, waar de ontsnappingssnelheid gelijk is aan de lichtsnelheid. Zodra iets deze grens overschrijdt, is ontsnappen voorgoed onmogelijk, zelfs voor licht.

The first ever Supermassive Black Hole

Quasars zijn de felle kernen van actieve sterrenstelsels. In zo’n kern zit een zwart gat dat gas en ander materiaal uit de omgeving opslokt. Grote zwarte gaten 'eten niet bepaalt netjes': tijdens het opslokken schieten bundels energierijke deeltjes en straling de ruimte in. Daardoor lichten de actieve kernen opvallend helder op.

Hoe worden quasars gevormd?

Quasars ontstaan wanneer iets ervoor zorgt dat een gigantische hoeveelheid gas zich verzamelt rond het superzware zwarte gat in het centrum van een sterrenstelsel. In de vroege geschiedenis van het universum stroomde materiaal via filamenten in het kosmische web naar sterrenstelsels. Later konden botsingen tussen sterrenstelsels ervoor zorgen dat sommige quasars oplichtten.

Primordiale oftewel oerzwarte gaten

Sterrenpopulaties

Sterrenpopulaties I, II en III worden ingedeeld op basis van hun chemische samenstelling, leeftijd en positie in een sterrenstelsel. Deze indeling laat de evolutie zien: Populatie III ontstond in het vroege heelal en bestond uit de allereerste sterren, volledig opgebouwd uit waterstof en helium, zonder metalen. Daarna volgde Populatie II, gevormd uit gas dat verrijkt was door die eerste generatie sterren. Uiteindelijk ontstond de schijf van de Melkweg met de huidige Populatie I-sterren.

De classificatie begon historisch gezien bij de sterren die we het beste kenden: de sterren van "nu" in onze eigen omgeving

De Duitse astronoom Walter Baade introduceerde deze classificatie in 1944. Hij maakte het onderscheid op basis van zijn observaties van het Andromeda-stelsel: 

• Populatie I: Hij gaf deze naam aan de sterren in de spiraalarmen en de schijf van het stelsel. Omdat deze sterren (waaronder onze Zon) het meest voorkomen in onze directe omgeving en als eerste gedetailleerd bestudeerd konden worden, kregen zij het cijfer I.
• Populatie II: Deze naam gaf hij aan de oudere, rodere sterren in het centrum en de halo van sterrenstelsels. Hoewel deze sterren ouder zijn, werden ze pas als tweede groep geclassificeerd.
• Populatie III: Deze categorie werd pas veel later (rond 1978) toegevoegd voor de allereerste generatie sterren in het universum, die toen nog puur theoretisch waren.

Sterrenstelsels zijn voor het universum wat de cel is voor het lichaam: fundamentele bouwstenen.

Sterrenstelsels worden vaak beschouwd als de fundamentele bouwstenen van het universum, vergelijkbaar met de rol van cellen in biologische organismen. Ze zijn immense verzamelingen van sterren, gas, stof en donkere materie, geordend in gestructureerde systemen die door zwaartekracht bijeen worden gehouden.

• Net zoals cellen de basis vormen waaruit weefsels, organen en uiteindelijk complete lichamen ontstaan, zo vormen sterrenstelsels de basiseenheden waaruit grotere structuren zoals clusters, superclusters en het kosmische web zijn opgebouwd.
• Actieve cellen hebben een constante aanvoer van energie nodig, voornamelijk in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP). Een cel is "actief" in een organisme door een combinatie van energiemetabolisme, genexpressieen responsiviteit op signalen. Deze activiteiten stellen de cel in staat om specifieke functies uit te voeren die essentieel zijn voor het leven en het functioneren van het organisme als geheel. 

Ik vond een treffende analogie om de complexe en soms destructieve aard van zeer actieve sterrenstelsels te begrijpen!

Superactieve sterrenstelsels zoals quasars kunnen worden vergeleken met kwaadaardige cellen in een lichaam vanwege hun destructieve invloed op de stervorming en hun omgeving. 

1. Destructieve Impact: Net zoals kwaadaardige cellen andere cellen kunnen verstoren en de gezondheid van het lichaam in gevaar kunnen brengen, kunnen superactieve sterrenstelsels de dynamiek van hun omgeving verstoren, wat leidt tot vermindering van stervorming.

2. Energetische Uitzendingen: De intense straling en uitbarstingen van deze sterrenstelsels kunnen gas en stof wegblazen, vergelijkbaar met hoe kwaadaardige cellen zich kunnen verspreiden en gezonde weefselstructuren kunnen beschadigen.

Normale sterrenstelsels kunnen bijdragen aan de structuur en evolutie van het universum, maar superactieve sterrenstelsels kunnen een onbalans creëren, wat gevolgen kan hebben voor de algemene stabiliteit van hun sterrenstelsels. 

Je algehele gezondheid weerspiegelt de gezondheid van je individuele cellen, en hun welzijn is fundamenteel voor vitaliteit, weerstand en het voorkomen van ziekte. 

Accretieschijven

Positieve en negatieve feedback

We onderscheiden zowel positieve als negatieve feedback als gevolg van een actief sterrenstelsel:

Positieve feedback

Een actief sterrenstelsel, meestal met een actieve galactische kern (AGN), kan op verschillende manieren zorgen voor meer stervorming, maar dat is niet altijd het geval — soms remt het die juist af, wat dan weer negatieve feedback oplevert.

Een actief sterrenstelsel kan stervorming versterken doordat de AGN:

• schokgolven en turbulentie veroorzaakt
• gas samendrukt
• koud gas naar het centrale gedeelte transporteert.
• meer koud gas → hogere dichtheid → intense stervorming.

Negatieve feedback

Het volgende leidt tot quenching (het stoppen van de stervorming) doordat de AGN:

• gas verhit vanwege de enorme hoeveelheden energie (UV, X-ray) → geen instorting
• gas door turbulentie en snelle jets (∼1000 km/s) verwijdert → geen brandstof
• koud gasaanvoer blokkeert→ stervorming stopt

Extragalactische jets (astrofysische jets) ontstaan door complexe interacties tussen een centraal zwart gat, een accretieschijf en sterke magnetische velden.

Ik legde de vraag uit de video voor aan Ai- Assistant

Kunnen jetstreams van actieve zwarte gaten het medium tussen de sterrenstelsels magnetiseren en op die manier magnetisering veroorzaken en overbrengen op bijvoorbeeld ons zonnestelsel en de planeten?

Jetstreams van actieve zwarte gaten kunnen inderdaad invloed hebben op het interstellair medium en mogelijk magnetisering veroorzaken. Hier zijn enkele belangrijke punten:

1. Jetstreams: Actieve zwarte gaten spuwen krachtige jets van gas en straling uit, die naar buiten bewegen met bijna de snelheid van het licht. Deze jets kunnen enorme afstanden afleggen en interactie hebben met het gas en stof in de intergalactische ruimte.

2. Magnetische velden: Wanneer deze jets het interstellair medium raken, kunnen ze magnetische velden genereren en versterken. Dit gebeurt door de beweging van geladen deeltjes in de jets, die zich kunnen mengen met het al aanwezige magnetische materiaal in het medium.

3. Overdracht van magnetisme: Dit proces kan mogelijk magnetische invloeden uitoefenen op nabijgelegen sterrenstelsels en zelfs ons eigen sterrenstelsel, inclusief de Zon en de planeten. 

4. Evolutie van magnetische velden: Er zijn bewijsstukken dat actieve galactische kernen magnetische velden kunnen beïnvloeden en dat deze velden zich kunnen verspreiden door het intergalactische medium.

Een andere Ai- assistant

Overdracht op ons zonnestelsel?

Hoewel zwarte gaten het universum op grote schaal beïnvloeden met hun magnetisme, is hun directe invloed op de magnetisering van ons zonnestelsel en zijn planeten te verwaarlozen.

• Voor vrijwel elk zonnestelsel is de eigen ster de dominante bron van magnetisme en deeltjesstromen. De "astrosfeer" (vergelijkbaar met onze heliosfeer) fungeert als een magnetisch schild dat invloeden van buitenaf, zoals de verdunde magnetische velden in het intergalactisch medium, effectief buiten de deur houdt.
• Planetaire magnetische velden ontstaan diep in de kern van de planeet zelf. Een extern magnetisch veld van een zwart gat is op een afstand van 27.000 lichtjaar simpelweg te zwak om dit proces te beïnvloeden of te overtreffen. 
• Sagittarius A* (Sgr A*) heeft weliswaar sterke magnetische velden die wijzen op de mogelijkheid van jets, vergelijkbaar met het bekende zwarte gat M87*, maar de jets zelf zijn bij Sgr A* veel zwakker of minder zichtbaar door het gebrek aan een constante, krachtige aanvoer van materie, hoewel de recente EHT-waarnemingen sterke, spiraalvormige magnetische velden aan de rand hebben blootgelegd. 

Zoals eerder vermeld zijn quasars de felle kernen van actieve sterrenstelsels. In zo’n kern zit een zwart gat dat gas en ander materiaal uit de omgeving opslokt. Tijdens het opslokken schieten bundels energierijke deeltjes en straling de ruimte in. Dit zijn extreem heldere quasarjets. Hoewel de jets van M87 en quasarjets vergelijkbare fysieke eigenschappen hebben en op dezelfde manier worden aangedreven zijn de jets van M87 geen quasarjets. M87 heeft simpelweg niet dezelfde intensiteit en helderheid als een quasar. 

De schaduw van een zwart gat

Wat is er in een zwart gat

Wetenschappers vermoeden dat zich in het midden van een zwart gat een singulariteit bevindt: een punt waarvan het volume oneindig klein is en de dichtheid oneindig groot.

Bron afbeelding: A Black Hole is a Waterfall of Space

In werkelijkheid beschrijft Einsteins algemene relativiteitstheorie zwarte gaten beter:

• Het probleem is niet dat objecten “te langzaam” zijn

• Maar dat de ruimtetijd zelf zo sterk gekromd is dat alle mogelijke paden naar buiten leiden

• Binnen de waarnemingshorizon wijst de toekomst onvermijdelijk naar het centrum van het zwarte gat

What happens if a star enters a-black hole

Voordat objecten het centrum van een zwart gat bereiken, worden ze uitgerekt en samengedrukt door de enorme zwaartekracht, in een proces dat spaghettificatie wordt genoemd.

Wanneer een ster te dicht bij een zwart gat komt, rekken en verscheuren intense getijdekrachten de ster tijdens een getijdeverstoring. Dit creëert een superheldere flits van röntgenstraling en licht, terwijl het materiaal een wervelende accretieschijf vormt. Een deel van het gas wordt daarbij uitgestoten in de vorm van krachtige jets.

Het grote raadsel is wat er gebeurt met de informatie van alles wat erin valt. Volgens de quantummechanica kan informatie namelijk niet vernietigd worden.

Simulation falling in a black hole

Binnen de gebeurtenishorizon leidt de toekomst onvermijdelijk naar het centrum van het zwarte gat. 

Dat is analoog aan een waterval.

Stel je een rivier voor die richting een waterval stroomt. Hoe dichter het water bij de rand komt, hoe sneller het gaat stromen.

Vlak buiten de horizon 'stroomt' de ruimtetijd zelf nog met de lichtsnelheid.

Binnen de horizon is de geometrie van de ruimtetijd  zó vervormd dat geen enkel pad meer terug leidt, daarom kan zelfs licht niet meer ontsnappen.

Wanneer je in een zwart gat zou vallen, zou je gezichtsveld drastisch veranderen door de extreme buiging van licht en tijd.