Supermassive Black Holes zijn Galaxy Monsters

Er is een superzwaar zwart gat in het centrum van onze melkweg. Het kan niet direct door telescopen of met onze ogen worden gezien, maar astronomen weten dat het er is. In feite zijn er superzware zwarte gaten in de harten van veel sterrenstelsels. Hoe weten astronomen dat deze monsters op de loer liggen in de galactische kernen? Ze gebruiken verschillende methoden om licht te bestuderen terwijl het door een zwart gat passeert en ze bestuderen ook het gebied rond een zwart gat om te begrijpen hoe het nabijgelegen wolken van gas, stof en zelfs sterren beïnvloedt. Momenteel is het superzware zwarte gat in de Melkweg, genaamd Boogschutter A *, een redelijk stil gat, en astronomen volgen het in vele golflengten van licht om zijn acties te begrijpen.

Waarom de fascinatie met zwarte gaten?

Zwarte gaten zijn favoriet in sciencefictionverhalen en media. Soms worden ze gebruikt als plotapparaat om een ​​soort interstellaire reistruc mogelijk te maken. Of ze komen aan bod in tijdreizen of een ander belangrijk element van een verhaal. Hoe fascinerend dergelijke verhalen ook zijn, de realiteit achter deze rare kolossen is intrigerend dan schrijvers zich kunnen voorstellen. Wat zijn de feiten rondom superzware zwarte gaten? Is er enige wetenschap achter de science fiction-afbeeldingen van superzware zwarte gaten? Laten we het uitzoeken.

Wat zijn superzware zwarte gaten?

Over het algemeen zijn superzware zwarte gaten precies wat hun naam zegt: echt, echt enorme zwarte gaten. Ze meten in de honderdduizenden zonnemassa's (één zonnemassa is gelijk aan de massa van de zon) tot miljarden zonnemassa's. Ze bezitten een enorme kracht en oefenen ongelooflijke invloed uit op hun sterrenstelsels.

Zwaartekrachttrek van vermoedelijk zwart gat vormt een frisbee-achtige schijf van koel gas, in de kern van een melkwegstelsel. Later bevestigde Hubble-waarnemingen een ander sterrenstelsel de realiteit van monsterlijke zwarte gaten met zwaartekrachtgootsteengaten die alles vangen, zelfs licht. L. Ferrarese (Johns Hopkins University) en NASA

De meeste superzware zwarte gaten bestaan ​​in de kernen van sterrenstelsels. Die centrale locatie stelt hen in staat om (althans gedeeltelijk) sterrenstelsels bij elkaar te houden. Hun zwaartekracht is zo immens, vanwege hun ongelooflijke massa, dat zelfs sterren honderdduizenden lichtjaren van ons in baan om hen en de melkwegkernen die ze bewonen zijn gebonden.

Zwarte gaten en hun ongelooflijke dichtheden

Wanneer astronomen over zwarte gaten praten, is dichtheid de belangrijkste eigenschap die ze gebruiken die zwarte gaten van andere "normale" objecten in het universum onderscheidt. Dit is de hoeveelheid "dingen" verpakt in het volume van een zwart gat. De dichtheid aan de kernen van zwarte gaten is zo hoog dat het in wezen oneindig wordt. Meer bepaald benadert het volume (de hoeveelheid ruimte die een zwart gat en zijn verborgen massa inneemt) nul. Dat betekent dat het niet veel meer is dan een klein puntje in de ruimte, maar dat kleine puntje, een singulariteit genoemd, bevat een ongelooflijke hoeveelheid massa. Dat maakt het ongelooflijk dicht. Die dichtheid is verspreid over het hele gebied van het zwarte gat, van de singulariteit tot de gebeurtenishorizon (dat is het punt waar de zwaartekracht van het zwarte gat te sterk is om iets te weerstaan. 

Een model van een zwart gat omgeven door verwarmd geïoniseerd) materiaal. Dit kan zijn hoe het zwarte gat in de Melkweg eruit ziet. Brandon DeFrise Carter, CC0, Wikimedia.   

Dat klinkt alsof het interieur van het zwarte gat (voorbij de horizon van de gebeurtenis) ongelooflijk verpletterd zou kunnen worden, zonder ruimte. Interessant is dat er een gedachte-experiment is dat zegt dat de gemiddelde dichtheid van superzware zwarte gaten eigenlijk minder kan zijn dan de lucht die mensen inademen. In feite, hoe groter de massa, de minder dicht is het superzware zwarte gat, als je het hele volume van het gebied bekijkt, van de singulariteit tot de evenementhorizon. De massa zou door dat gebied worden verdeeld, met meer massa in de singulariteit dan in de "buitenwijken". 

Als dat waar is, dan zou het niet alleen mogelijk zijn om een ​​superzwaar zwart gat te benaderen, je zou theoretisch in een superzwaar zwart gat kunnen vallen en geruime tijd kunnen overleven totdat je in de buurt van de singulariteit komt. Er is echter een groot probleem: zwaartekracht. Het is zo sterk dat alles dat voorbij de horizon van de gebeurtenis duikt, uit elkaar zou worden gerukt door de extreme zwaartekracht. Tot zover de wormgatreizen! 

Hoe vormen zich superzware zwarte gaten?

De vorming van superzware zwarte gaten is nog steeds een van de mysteries van de astrofysica. Normale zwarte gaten zijn de kernresten die zijn achtergelaten door de supernova-explosie van een massieve ster. Hoe massiever de ster, hoe massiever het zwarte gat dat achterblijft.

Je zou dus kunnen aannemen dat superzware zwarte gaten ontstaan ​​door de ineenstorting van een superzware ster. Het probleem is dat weinig van dergelijke sterren zijn gedetecteerd. Bovendien zegt de natuurkunde dat ze niet eens zouden moeten bestaan. Dat doen ze echter wel. De meest massieve sterren zijn tientallen tot honderd keer de massa van de zon. Een paar zeldzame hypergianten kunnen tot 300 stellaire massa's zijn. Toch zijn zelfs deze monsters ver verwijderd van het soort massa dat nodig zou zijn om een ​​superzwaar zwart gat te creëren. Kort gezegd: er is VEEL meer massa nodig om een ​​superzwaar zwart gat te maken dan zelfs in de meest superzware sterren. 

De botsing van twee gaten met zwarte gaten - een enorm krachtige gebeurtenis die voor het eerst werd gedetecteerd door de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory of LIGO - is hier nog te zien vanuit een computersimulatie. LIGO detecteerde zwaartekrachtsgolven, of rimpelingen in ruimte en tijd die werden gegenereerd terwijl de zwarte gaten naar elkaar toe spiraalsgewijs in botsing kwamen en samenvloeiden. Deze simulatie laat zien hoe de fusie in onze ogen zou lijken als we op een of andere manier in een ruimteschip zouden kunnen reizen voor een kijkje. Het is gemaakt door vergelijkingen op te lossen uit de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein met behulp van de LIGO-gegevens. LIGO / Caltech

Dus als deze objecten niet op de traditionele manier van andere zwarte gaten zijn gemaakt, waar komen de zwarte gaten dan vandaan? Het leidende idee is dat ze zo veel kleinere zwarte gaten vormden om grote te maken. Uiteindelijk zou de opbouw van massa leiden tot het creëren van een superzwaar zwart gat. Dat is een hiërarchische theorie over het bouwen van een superzwaar zwart gat. Er zijn enkele problemen met die theorie omdat het de studie vereist van "tussenliggende massa" superzware zwarte gaten. Ze zouden de "in b Between step" zijn van kleinere zwarte gaten tot de superzware monsters. Astronomen beginnen er meer van te ontdekken en bestuderen hun specifieke kenmerken om de hiaten in de hiërarchische theorie op te vullen. 

Zwarte gaten, de oerknal en fusies

Een andere belangrijke theorie over het creëren van superzware zwarte gaten is dat ze gevormd werden in de eerste momenten na de oerknal. Natuurlijk is niet alles volledig bekend over de omstandigheden in die tijd om erachter te komen hoe zwarte gaten een rol hebben gespeeld en wat hun vorming heeft gestimuleerd. 

Observaties van de bekende superzware en middelgrote zwarte gaten suggereren dat de fusietheorie waarschijnlijk de eenvoudigste verklaring is. Onderzoek van de oudste, meest verre en massieve superzware zwarte gaten, quasars specifiek, toont aan dat er aanwijzingen zijn dat de fusie van veel sterrenstelsels een rol speelde. Wanneer sterrenstelsels samensmelten, lijken hun zwarte gaten dat ook te doen. Fusies spelen een rol bij het vormgeven van de sterrenstelsels die we vandaag zien, en dus is het logisch dat hun centrale zwarte gaten langs kunnen komen voor de rit en meegroeien met de sterrenstelsels. Interessant is dat wanneer die zwarte gaten samensmelten, ze veel energie uitzenden. De actie zendt ook zwaartekrachtgolven uit, die astronomen nu net kunnen meten.

Als fusies het antwoord zijn, bieden ze een gedeeltelijke oplossing voor het probleem van het tussenliggende zwarte gat. In beide gevallen is het antwoord nog niet duidelijk. Er moet nog veel meer werk worden verricht om sterrenstelsels en hun zwarte gaten te observeren en te karakteriseren.

Wetenschap in de Science Fiction

Terugkomend op science fiction en zwarte gaten, zijn er eigenschappen die de geest volledig verbuigen die schrijvers hebben gebruikt. Verhalen over sneller dan licht reizen, interstellair reizen en tijdreizen doordringen sciencefictionromans. Er zijn zelfs theorieën dat zwarte gaten poorten zijn naar alternatieve universums.

Twee ruimteschepen komen een wormgat in de ruimte binnen om naar een universum in een ander deel van de melkweg te komen. Corey Ford / Stocktrek afbeeldingen

Dus is er enig bewijs om een ​​van deze ideeën te ondersteunen? Eigenlijk wel, hoewel alleen in zeer extreme omstandigheden. Het idee om zwarte gaten te gebruiken als wormgaten die ons op de een of andere manier verbinden met de andere kant van het universum bestaat al tientallen jaren. Het is een geweldige en fantasierijke fantasie die waarschijnlijk niet snel realiteit zal worden.

De mogelijkheden zijn zelfs berekend met behulp van serieuze fysica en algemene relativiteitstheorie. In theorie zouden deze dingen dus kunnen gebeuren, zoals werd aangetoond in de film van 2014 interstellair. De natuurkundige die met de filmmakers werkte, kwam met enkele theoretische ideeën die de film ondersteunden en wetenschappelijk werkten. De vereiste technologie is echter nog steeds niet beschikbaar en er moet aan een aantal speciale voorwaarden worden voldaan. Maar wie weet - veel van de technologie die mensen vandaag de dag gebruiken om te vliegen, werd ooit ook onmogelijk geacht. 

Snelle feiten

• Supermassieve zwarte gaten bestaan ​​in de harten van veel sterrenstelsels, waaronder de Melkweg.
• Sommige sterrenstelsels, zoals de Andromeda Galaxy, kunnen meer dan één van deze monsters hebben.
• Wanneer sterrenstelsels samenvloeien, kunnen hun zwarte gaten ook samenvloeien.
• In superzware zwarte gaten kunnen tot miljarden stellaire massa's verborgen zijn.
• Onze eigen Melkweg heeft een superzwaar zwart gat genaamd Boogschutter A *

bronnen

• Mohon, Lee. "Superzware zwarte gaten ontgroeien hun melkwegstelsels." NASA, NASA, 15 februari 2018, www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/supermassive-black-holes-are-outgrowing-their-galaxies.html.
• Saplakoglu, Yasemin. "Zeroing in op hoe superzware zwarte gaten gevormd." Wetenschappelijke Amerikaan, 29 september 2017, www.scientificamerican.com/article/zeroing-in-on-how-supermassive-black-holes-formed1/.
• “Superzwaar zwart gat | KOSMOS." Centrum voor astrofysica en supercomputing, astronomy.swin.edu.au/cosmos/s/supermassive zwart gat.

Bewerkt en bijgewerkt door Carolyn Collins Petersen.