Paul van der Werf

Sterrewacht Leiden

Zwarte gaten

Pre-University Class

29 januari 2020

10 april 2019…

Zwarte gaten 3

Zwarte gaten

Wat zijn zwarte gaten?

Zwaartekracht als geometrie

Hoe kan een zwart gat ontstaan?

Waarnemingen van zwarte gaten

Zwarte gaten, wormgaten, fundamentele fysica…

Zwarte gaten 4

Wat is een zwart gat?

Een zwart gat is een object waarvan de zwaartekracht zo sterk is

dat zelfs het licht niet kan ontsnappen

Nodig: Relativiteitstheorie

212

s

s 2

2

GMmmc

R

GMR

c

Zwarte gaten 5

Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie

In 1915 publiceerde Einstein een nieuw

model van de zwaartekracht:

de Algemene Relativiteitstheorie.

Centraal hierin staat het

equivalentie principe

Gevolgen o.a.: Zwaartekracht is kromming van de ruimte Afbuiging van licht door zwaartekracht Zwarte gaten Uitdijend of inkrimpend heelal Zwaartekrachtsgolven

Zwarte gaten 6

Equivalentie principe

Een zwaartekrachtsveld is locaal

volledig equivalent aan

een versneld systeem.

z tm m

Zwarte gaten 7

Zwaartekracht buigt licht af

Kromming van de ruimte

Zwarte gaten 8

Zwarte gaten 9

Gravitatielenzen

Zwarte gaten 10

Hoe kan een zwart gat ontstaan?

Zwarte gaten 11

Witte dwergen

Zwarte gaten 12

Gewone ster

druk van bewegingen van atomen

Zwarte gaten 13

Witte dwerg

Zwarte gaten 14

Neutronenster

Zwarte gaten 15

Neutronensterren

Als de instortende kern zwaarder is dan de Chandrasekhar massa (1.4 M

), bezwijken de

atomen

electronen en protonen samengedrukt: inverse -verval

puur neutronen materiaal: een neutronenster

Er is een maximum massa voor neutronensterren: M 3 M

ep e n

straal van een neutronenster: 10 kmdichtheid van neutronenster: 1017 kg/m3

Zwarte gaten 16

Zwarte gaten

Als de instortende kern zwaarder is dan 3M

, kanook de druk van neutronen de contractie niet tegenhouden

er is geen tegenkracht: kern stort in tot afmeting 0: een singulariteit

De singulariteit wordt omringd door de z.g. event horizon; dit is de straal van waarbinnen we geen informatie kunnen

krijgen: de ruimte is in zichzelf gekromd; van waar de ontsnappingssnelheid de

lichtsnelheid is. Singulariteit met event horizon noemen we een

zwart gat De straal van de event horizon is de Schwarzschild

straal.

212

s

s 2

2

GMmmc

R

GMR

c

Zwarte gaten 17

De Schwarzschild straal

Object M Rs

Aarde 6 ·1024 kg 1 cm

Jupiter 0.001 M

3 m

Zon 1 M

3 km

Witte dwerg 1.3 M

4 km

Neutronenster 2 M

6 km

Zwart gat 5 M

15 km

Zwart gat 108 M

3·108 km

s 2

23 km

M

GM MR

c

Zwarte gaten 18

Bestaan zwarte gaten?

Gravitatiegolven

Zwarte gaten 19

Zwarte gaten 20

De Melkweg in zichtbaar licht

Een zwart gat in de kern van de Melkweg

Zwarte gaten 21

Radiostraling van de Melkwegkern

Sgr A*: uniek in de Melkwegbeweegt niet

het zwarte gat ?

Sgr A*

Zwarte gaten 22

De Melkwegkern in het infrarood

Zwarte gaten 23

Sterren in de

Melkwegkern

10 lichtjaar

Zwarte gaten 24

Atmosferische versmering: seeing

Stilzetten: shift-and-add

Zwarte gaten 25

10 lichtjaar

Sterren in de

Melkwegkern

Zwarte gaten 26

Sterbanen rond Sgr A*

Een etend zwart gat?

Zwarte gaten 27

10 april 2019…

Het zwarte gat in de kern van M87

Simulatie van de kern van M87

Zwarte gaten 32

Zwarte gaten, wormgaten en fundamentele

fysica

Zwarte gaten 33

In een zwart gat vallen

Wie in een zwart gat valt bereikt in eindige tijd de centrale singulariteit

NB: De singulariteit is fysisch een probleem:alle massa in een punt met afmeting 0

nieuwe fysica op zeer kleine schaal (de zg. Planck schaal), beheerst door kwantum-gravitatie (waarvan geen goede theorie bestaat).

Wie buiten een zwart gat kijkt naar iemand die het zwarte gat in valt, zietheel iets anders: tijd gaat stil staan!

Verdampende zwarte gaten?

Zwarte gaten kunnen toch stralen door zg. Hawking straling (eenkwantumfysisch verschijnsel).

Dit betekent dat ze massa verliezen en “verdampen”.

Ultralichte zwarte gaten, mogelijkgevormd bij de Oerknal, zouden nu verdampt zijn.

Zwarte gaten 34

Wormgaten

Bij een wormgat is de tijdruimte zo vervormd dater een “Kortere weg” tussen2 punten ontstaat: een“Einstein-Rosen brug”

Vereist negatieve energie, dus niet mogelijk?

Tijdreizen?

Zwarte gaten 35

Tijdreizen onmogelijk?

Zwarte gaten 36

Holografisch principe

Zwarte gaten 37

Informatie gaat in een zwartgat niet verloren (!) maar blijft “gecodeerd” op het oppervlak aanwezig.

Toepassing op het heelal –nieuwe theorie van zwaartekracht?