Praatje over zwarte gaten, gegeven op vrijdag 8 maart bij JWG-afdeling Leiden.

1. Zwarte gaten
Marcel Vonk
JWG-Leo, 8 maart 2013

2. Zwarte gaten
Een zwart gat is een overblijfsel van
een ontplofte ster (of iets anders heel
zwaars) dat zo zwaar is dat zelfs het
licht er niet aan kan ontsnappen!
2/74

3. Inhoud
1. Sterevolutie
(Hoe ontstaan zwarte gaten?)
2. Relativiteitstheorie
(Waarom zijn ze zwart?)
3. Hawkingstraling en paradoxen
(Zijn ze wel echt zwart?)
3/74

4. 1. Sterevolutie
(Hoe ontstaan zwarte gaten?)

5. Sterevolutie
De zwaartekracht speelt een heel
belangrijke rol in ons verhaal.
5/74

6. Sterevolutie
Alles wat massa heeft trekt elkaar
aan!
Massa = “hoeveelheid stof” = gewicht,
als we het op aarde meten.
6/74

7. Sterevolutie
Alle voorwerpen die massa hebben
trekken elkaar aan.
…maar niet allemaal even hard!
7/74

8. Sterevolutie
Isaac Newton beschreef als eerste
hoe de zwaartekracht precies werkt.
8/74

9. Sterevolutie
Isaac Newton beschreef als eerste
hoe de zwaartekracht precies werkt.
• Grotere massa’s, grotere
zwaartekracht.
• Grotere afstand, kleinere
zwaartekracht.
9/74

10. Sterevolutie
Isaac Newton beschreef als eerste
hoe de zwaartekracht precies werkt.
• Grotere massa’s, grotere
zwaartekracht.
• Grotere afstand, kleinere
zwaartekracht.
10/74

11. Sterevolutie
Isaac Newton beschreef als eerste
hoe de zwaartekracht precies werkt.
• Grotere massa’s, grotere
zwaartekracht.
• Grotere afstand, kleinere
zwaartekracht.
11/74

12. Sterevolutie
Twee appels op een meter afstand
trekken elkaar dus ook aan…
…maar het kan wel een paar dagen
duren voor ze elkaar bereikt hebben!
12/74

13. Sterevolutie
Zwaartekracht speelt een belangrijke
rol in hoe het heelal gevormd is.
Dat begon zo’n 14 miljard jaar
geleden met de oerknal. 13/74

14. Sterevolutie
Vlak na de oerknal was het heelal een
heet gas van elementaire deeltjes.
14/74

15. Sterevolutie
Door de explosie vlogen al die
deeltjes uit elkaar…
15/74

16. Sterevolutie
…maar door de zwaartekracht
klonterden ze ook samen!
16/74

17. Sterevolutie
Zo ontstaan sterrenstelsels, sterren,
planeten, enzovoort!
17/74

18. Sterevolutie
Sterren zijn er in allerlei soorten en
maten.
18/74

19. Sterevolutie
Waarom storten sterren niet verder in
door hun zwaartekracht?
Omdat ze “branden”! 19/74

20. Sterevolutie
Dat “branden” heeft trouwens niets
met vuur te maken…
20/74

21. Sterevolutie
Dat “branden” heeft trouwens niets
met vuur te maken…
21/74

22. Sterevolutie
Dat “branden” heeft trouwens niets
met vuur te maken…
…maar met het in elkaar omzetten
van scheikundige stoffen. 22/74

23. Sterevolutie
Waterstof wordt helium wordt koolstof
wordt… enzovoort.
Bij elke stap komt energie vrij, en
daardoor “brandt” de zon! 23/74

24. Sterevolutie
Hoe groter de ster, hoe meer stoffen
hij in elkaar kan omzetten…
…maar het houdt hoe dan ook op bij
ijzer! (Verder gaan kost energie.) 24/74

25. Sterevolutie
Als een lichte ster “opgebrand” is
ontstaat een witte dwerg.
25/74

26. Sterevolutie
Als een lichte ster “opgebrand” is
ontstaat een witte dwerg.
26/74

27. Sterevolutie
Zwaardere sterren storten als ze
opgebrand zijn ineen tot heel zware
en kleine objecten.
Enorme zwaartekracht!
27/74

28. Sterevolutie
De zwaartekracht kan zó groot
worden dat een zwart gat ontstaat!
28/74

29. 2. Relativiteitstheorie
(Waarom zijn zwarte gaten zwart?)

30. Relativiteitstheorie
Kan de zwaartekracht zó groot
worden dat je er niet meer aan kunt
ontsnappen?
30/74

31. Relativiteitstheorie
Je zou zeggen van niet: als je maar
hard genoeg gaat, ontsnap je wel…
31/74

32. Relativiteitstheorie
Maar… Albert Einstein toonde in zijn
relativiteitstheorie aan dat je nooit
harder kunt gaan dan het licht!
32/74

33. Relativiteitstheorie
Maar… Albert Einstein toonde in zijn
relativiteitstheorie aan dat je nooit
harder kunt gaan dan het licht!
2
E mc
33/74

34. Relativiteitstheorie
Elke planeet, ster, enzovoort, heeft
een ontsnappingssnelheid.
< 11,2 km/s > 11,2 km/s
Voor de aarde is dat zo’n 11,2 km/s.
34/74

35. Relativiteitstheorie
Hoe zwaarder (en/of kleiner) het
object, hoe groter de ontsnappings-
snelheid.
11,2 km/s 59,5 km/s
618 km/s
35/74

36. Relativiteitstheorie
Hoe zwaarder (en/of kleiner) het
object, hoe groter de ontsnappings-
snelheid.
11,2 km/s 22,4 km/s
36/74

37. Relativiteitstheorie
Als een object zoals een ineen-
gestortte ster maar klein en zwaar
genoeg is…
11,2 km/s >300.000 km/s
…kan de ontsnappingssnelheid groter
worden dan de lichtsnelheid.
37/74

38. Relativiteitstheorie
Aan zo’n object kan geen licht meer
ontsnappen…
< 300.000 km/s > 300.000 km/s
38/74

39. Relativiteitstheorie
Aan zo’n object kan geen licht meer
ontsnappen…
< 300.000 km/s > 300.000 km/s
…en dus ook niets anders!
39/74

40. Relativiteitstheorie
Een zwart gat is een overblijfsel van
een ontplofte ster (of iets anders heel
zwaars) dat zo zwaar is dat zelfs het
licht er niet aan kan ontsnappen!
40/74

41. Relativiteitstheorie
Kunnen we geen “truuk” bedenken
om toch aan een zwart gat te
ontsnappen?
Een raket op aarde gaat immers ook
niet met 11,2 km/s! 41/74

42. Relativiteitstheorie
Om in te zien dat zo’n truuk niet
bestaat moeten we nog iets meer
weten van de relativiteitstheorie.
2
E mc
42/74

43. Relativiteitstheorie
Die theorie zegt dat ruimte (en tijd!)
een soort “rubber” zijn dat je kunt
vervormen, uitrekken, enzovoort.
43/74

44. Relativiteitstheorie
Een zwart gat “zuigt de ruimte op”
met meer dan 300.000 km/s.
Je kunt er dus nooit aan ontsnappen!
44/74

45. Relativiteitstheorie
Zijn zwarte gaten dan niet enorm
gevaarlijk?
45/74

46. Relativiteitstheorie
Dat valt wel mee, want hoe verder
weg je gaat, hoe kleiner de
ontsnappingssnelheid wordt.
300.000 km/s 100.000 km/s
46/74

47. Relativiteitstheorie
Elk zwart gat heeft dus een horizon,
en alleen daarbinnen kun je niet
ontsnappen.
47/74

48. Relativiteitstheorie
Als we de zon zouden samenpersen
tot een zwart gat…
48/74

49. Relativiteitstheorie
Als we de zon zouden samenpersen
tot een zwart gat…
49/74

50. Relativiteitstheorie
Als we de zon zouden samenpersen
tot een zwart gat…
…zouden we daar op aarde (qua
zwaartekracht) niets van merken!
50/74

51. 3. Hawkingstraling en paradoxen
(Zijn zwarte gaten echt zwart?)

52. Hawkingstraling
Het waarnemen van een zwart gat is
heel lastig…
…het is immers zwart!
52/74

53. Hawkingstraling
We moeten de eigenschappen van
een zwart gat dus voornamelijk
berekenen in plaats van meten.
53/74

54. Hawkingstraling
Stephen Hawking liet met zo’n
berekening zien dat zwarte gaten
misschien niet helemáál zwart zijn.
54/74

55. Hawkingstraling
Het idee is grofweg als volgt. Bij elk
soort deeltje hoort ook een
antideeltje.
+ =
Deeltjes en antideeltjes “heffen elkaar
precies op”.
55/74

56. Hawkingstraling
Omgekeerd kunnen deeltjes en
antideeltjes ook spontaan uit het niets
(“vacuüm”) ontstaan.
= +
56/74

57. Hawkingstraling
Als dit bij een zwart gat gebeurt, kan
het gebeuren dat het deeltje ontsnapt,
maar het antideeltje niet.
57/74

58. Hawkingstraling
In het zwarte gat kan het antideeltje
dan een deeltje tegenkomen en
opheffen.
58/74

59. Hawkingstraling
In het zwarte gat kan het antideeltje
dan een deeltje tegenkomen en
opheffen.
59/74

60. Hawkingstraling
Het zwarte gat is daarmee iets lichter
geworden, en heeft een deeltje
“uitgestraald”!
60/74

61. Hawkingstraling
Natuurlijk zou precies het
omgekeerde ook kunnen gebeuren…
61/74

62. Hawkingstraling
Het zwarte gat zou dan juist groeien,
maar Hawking liet zien dat het
“verdampingsproces” uiteindelijk wint.
62/74

63. Hawkingstraling
Dit idee leidt wel tot allerlei tegen-
strijdigheden (“paradoxen”) en
vragen. Bijvoorbeeld:
• Informatieparadox
• Microtoestanden
• Firewalls
63/74

64. Hawkingstraling
Informatieparadox: je kunt alles wat je
wilt in een zwart gat gooien…
64/74

65. Hawkingstraling
…maar de straling die eruit komt ziet
er altijd hetzelfde uit.
65/74

66. Hawkingstraling
Er lijkt dus informatie verloren te
gaan. Dit is iets wat we normaal in de
natuurkunde niet gewend zijn!
66/74

67. Hawkingstraling
Waar blijft de informatie in een zwart
gat??? Informatieparadox.
67/74

68. Hawkingstraling
Microtoestanden: een zwart gat zendt
straling uit, en heeft dus een
temperatuur.
68/74

69. Hawkingstraling
We zouden die temperatuur moeten
kunnen uitrekenen uit de manier
waarop het zwarte gat op
microscopische schaal is opgebouwd.
69/74

70. Hawkingstraling
Maar… we hebben geen idee hoe
een zwart gat er op microscopische
schaal (een “microtoestand”) eruit
ziet!
70/74

71. Hawkingstraling
Een laatste vraag: wat zie je als je in
een zwart gat valt?
71/74

72. Hawkingstraling
Een laatste vraag: wat zie je als je in
een zwart gat valt?
• Helemaal niets?
• Een “firewall” van straling?
• Nog iets heel anders?
We hebben geen idee!
72/74

73. Hawkingstraling
Kortom: er zijn nog talloze open
vragen over zwarte gaten…
.. die we hopelijk in de toekomst door
waarnemingen of berekeningen
kunnen beantwoorden! 73/74

74. Zwarte gaten
74/74