Hoe worden zwarte gaten gedetecteerd? 1 augustus 2019
Een van de meest besproken concepten in de astrofysica is zwarte gaten. Een zwart gat is een ruimte waarin de aanwezigheid van zwaartekracht zo extreem is dat snel bewegende deeltjes of licht niet kunnen ontsnappen.
Omdat zwarte gaten geen zichtbaar licht uitstralen, konden astronomen geen duidelijk beeld van een zwart gat waarnemen. Daarom was het lang onmogelijk om zwarte gaten te detecteren – maar met de vooruitgang in vacuümtechnologie is dat niet meer het geval.
Detectie van zwarte gaten met zwaartekrachtgolfdetectoren
Op 10 april 2019 konden astronomen het eerste beeld van een zwart gat verkrijgen met behulp van de Event Horizon Telescope (EHT). Dankzij internationale samenwerking is EHT een opstelling op planetaire schaal van acht radiotelescopen die elektromagnetische straling registreren en de meerdere bronnen van radiodataresultaten combineren met behulp van interferometrie met zeer lange basislijnen (VLBI).
Dankzij de EHT werd het eerste visuele bewijs van een supermassief zwart gat en de schaduw ervan geïllustreerd. Dit zwarte gat is gevonden in het sterrenstelsel Messier 87 en ligt 55 miljoen lichtjaar van de aarde verwijderd.
De ontdekking leidde tot een belangrijke bevestiging van Einsteins theorie van algemene relativiteit. Dit markeerde de geboorte van het concept van zwarte gaten, die werden omschreven als "extreme massaconcentraties met een zwaartekrachteffect dat stof omsluit en zelfs licht opvangt".
Zwaartekrachtgolfdetectoren spelen ook een belangrijke rol bij de detectie van zwarte gaten. In december 2018 kondigden de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en de Virgo interferometer vier nieuwe zwart-gatfusies en zwaartekrachtgolven aan die zijn gecreëerd uit 10 sterrenmassa binaire zwart-gatfusies en een fusie van neutronensterren.
Zwarte gaten en vacuümschommelingen
Een belangrijk effect van de recente ontdekking van zwarte gaten is het nieuwe inzicht in de Hawking-stralingstheorie. Dit voorspelde dat zwarte gaten subatomische deeltjes zouden kunnen creëren en uitstoten totdat ze hun energie uitputten en uiteindelijk verdampen.
Vanuit kwantumperspectief suggereert het bestaan van zwarte gaten dat het vacuüm van de ruimte niet helemaal leeg is. Een kwantumschommeling (ook bekend als een vacuümtoestandschommeling) is het tijdelijke verschijnen van energieke deeltjes uit een lege ruimte. Dit maakt het mogelijk om deeltjes-antideeltjesparen van virtuele deeltjes te creëren. Het sterke zwaartekrachtveld van het zwarte gat scheidt deze schommelingen in de uitgaande deeltjes die deel uitmaken van de Hawking-straling.
Wetenschappelijke debatten over zwarte gaten
Zwarte gaten hebben geleid tot tal van discussies en debatten in de wetenschappelijke gemeenschap. Een van de belangrijkste debatten gaat over vacuümdecay. Dit is gebaseerd op een statisch zwart gat gecentreerd door een bel die 'nucleeert', hetzij het zwarte gat vervangen door een echt vacuüm, hetzij een statische bel nucleeren. Dit resulteert in een zwart gat dat omgeven is door echt vacuüm. Er wordt algemeen aangenomen dat deze 'bubbel' uiteindelijk het universum zal overnemen. Hierbij wordt echter geen rekening gehouden met zwaartekrachtvelden die de instabiliteit van het vacuüm kunnen verhogen door kleine zwarte gaten die als nucleatiezaden fungeren.
Zwarte gaten zijn gecentreerd door een zwaartekrachtsingulariteit. Dit is een eendimensionaal punt dat bestaat uit een substantieel kleine ruimte waar zwaartekracht en dichtheid oneindig worden en ruimte-tijdcurven. Velen beweren dat objecten die in een zwart gat vallen en de singulariteit bereiken, worden veranderd door verschillende zwaartekrachtaantrekkingen. Dit daagt de theorie van algemene relativiteit uit, die de kwantumeffecten in het bestaan van zwarte gaten benadrukt.
Hoewel telescopen een fundamentele rol spelen in de manier waarop zwarte gaten worden gedetecteerd, is er gesuggereerd dat toepassingen in de vacuümwetenschap, zoals de Large Hadron Collider (LHC) van CERN, kunnen leiden tot de vorming van zwarte gaten. Dit is te wijten aan de deeltjes die ontstaan wanneer protonparen elkaar raken. Een dergelijke vorming zou de theorieën bevestigen dat het universum niet vierdimensionaal is, maar in plaats daarvan andere afmetingen bevat.
Zwarte gaten behouden een bepaalde mysterieuze status in de natuurkunde. Maar met de recente waarneming, evenals de vooruitgang van vacuümtechnologie in telescopen en zwaartekrachtgolfdetectoren, zal de waarneming van zwarte gaten onderzoekers in staat stellen om nieuwe voorspellingen en ontdekkingen te doen over het universum en zijn oorsprong.
