Onze liefde voor zwarte gaten blijft groeien naarmate onze kennis van deze hemellichamen zich uitbreidt. Het laatste nieuws is de ontdekking van een zeldzaam "middengewicht" zwart gat, een relatieve nieuwkomer in de familie van zwarte gaten.

We wisten al dat sommige zwarte gaten slechts een paar keer de massa van onze zon zijn, terwijl andere meer dan een miljard keer zo massief zijn. Maar anderen met tussenliggende massa's, zoals die 2, 200 keer de massa van onze zon die onlangs is ontdekt in de sterrenhoop 47 Tucanae, zijn verrassend ongrijpbaar.

Dus hoe zit het met zwarte gaten, deze zwaartekrachtgevangenissen die alles vangen wat te dicht bij hen komt, die tot de verbeelding spreekt van mensen van alle leeftijden en beroepen?

'Donkere sterren'

Al in 1783, in het kader van de Newtoniaanse dynamiek, het concept van "donkere sterren" met een voldoende hoge dichtheid dat zelfs licht niet aan hun zwaartekracht kan ontsnappen, was ontwikkeld door de Engelse filosoof en wiskundige John Michell.

Vrijwel onmiddellijk nadat Albert Einstein in 1915 zijn algemene relativiteitstheorie presenteerde, die Newtons beschrijving van ons universum verdrong en onthulde hoe ruimte en tijd nauw met elkaar verbonden zijn, landgenoot Karl Schwarzschild en Nederlander Johannes Droste onafhankelijk afgeleid de nieuwe vergelijkingen voor een bolvormige of puntmassa.

Hoewel de kwestie toen nog iets van een wiskundige curiositeit was, in de daaropvolgende kwart eeuw realiseerden kernfysici zich dat voldoende massieve sterren onder hun eigen gewicht zouden instorten om deze eerder getheoretiseerde zwarte gaten te worden.

Hun bestaan ​​werd uiteindelijk bevestigd door astronomen die krachtige telescopen gebruikten. en meer recentelijk waren botsende zwarte gaten de bron van de zwaartekrachtsgolven die werden gedetecteerd met de LIGO-instrumentatie in de Verenigde Staten.

Een dicht object

De dichtheid van dergelijke objecten is verbijsterend. Als onze zon een zwart gat zou worden, het zou moeten instorten van zijn huidige omvang van 1,4 miljoen km naar een straal van minder dan 3 km (6 km breed). De gemiddelde dichtheid binnen deze "Schwarzschild-straal" zou bijna 20 miljard ton per kubieke centimeter bedragen.

De toenemende kracht en aantrekkingskracht van de zwaartekracht naarmate je dichter bij een zwart gat komt, kan dramatisch zijn.

Op aarde, de kracht van de zwaartekracht die je aan het oppervlak houdt, is ongeveer hetzelfde aan je voeten als aan je hoofd, die een beetje verder van de planeet verwijderd is.

Maar in de buurt van enkele zwarte gaten, het verschil in zwaartekracht van top tot teen is zo groot dat je uit elkaar getrokken en uitgerekt zou worden op atomair niveau, in een proces dat spaghettificatie wordt genoemd.

1958, de Amerikaanse natuurkundige David Finkelstein was de eerste die de ware aard besefte van wat de 'gebeurtenishorizon' van een zwart gat is gaan heten. Hij beschreef deze grens rond een zwart gat als het perfecte unidirectionele membraan.

Het is een immaterieel oppervlak dat een bol inkapselt waar geen terugkeer mogelijk is. Eenmaal binnen in deze sfeer, de aantrekkingskracht van het zwarte gat is te groot om te ontsnappen - zelfs voor licht.

In 1963, de Nieuw-Zeelandse wiskundige Roy Kerr loste de vergelijkingen op voor de meer realistische roterende zwarte gaten. Deze leverden gesloten tijdachtige curven op die beweging terug in de tijd mogelijk maakten.

Hoewel zulke vreemde oplossingen voor de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie voor het eerst verschenen in het werk van de Oostenrijks-Amerikaanse logicus Kurt Gödel uit 1949, algemeen wordt aangenomen dat ze een wiskundig artefact moeten zijn dat nog moet worden weggeredeneerd.

Zwarte en witte gaten

1964, twee Amerikanen, de schrijver Ann Ewing en de theoretisch natuurkundige John Wheeler, introduceerde de term "zwart gat". Vervolgens, in 1965, de Russische theoretische astrofysicus Igor Novikov introduceerde de term 'wit gat' om het hypothetische tegenovergestelde van een zwart gat te beschrijven.

Het argument was dat als materie in een zwart gat valt, dan wordt het misschien vanuit een wit gat in ons universum uitgespuugd.

Dit idee is gedeeltelijk geworteld in het wiskundige concept dat bekend staat als een Einstein-Rosen-brug. Ontdekt (wiskundig) in 1916 door de Oostenrijkse natuurkundige Ludwig Flamm, en opnieuw geïntroduceerd in 1935 door Einstein en de Amerikaans-Israëlische natuurkundige Nathan Rosen, het werd later door Wheeler een "wormgat" genoemd.

1962, Wheeler en de Amerikaanse natuurkundige Robert Fuller legden uit waarom zulke wormgaten onstabiel zouden zijn om zelfs maar een enkel foton door hetzelfde universum te transporteren.

Feit en fictie

Niet verrassend, het idee om een ​​(zwart gat) portaal binnen te gaan en ergens anders in het universum – in ruimte en/of tijd – weer op te duiken heeft geleid tot talloze sciencefictionverhalen, inclusief Doctor Who, Sterrenpoort, Zoom, Farscape en het zwarte gat van Disney.

Lopende producties kunnen simpelweg beweren dat hun personages naar een ander of parallel universum reizen dan het onze. Hoewel het wiskundig haalbaar lijkt, er is natuurlijk geen fysiek bewijs om het bestaan ​​van dergelijke universa te ondersteunen.

Maar dit wil niet zeggen dat tijdreizen, althans in beperkte zin, is niet echt. Als je met grote snelheid reist, of misschien in een zwart gat vallen, het verstrijken van de tijd vertraagt ​​​​ten opzichte van die ervaren door stationaire waarnemers.

Snel over de wereld gevlogen klokken hebben dit aangetoond, tijdvertragingen weergeven in overeenstemming met de speciale relativiteitstheorie van Einstein.

De film Interstellar uit 2014 speelde op dit effect rond een zwart gat, waardoor een gevoel van vooruit reizen in de tijd ontstaat voor astronaut Cooper (gespeeld door Matthew McConaughey).

Ondanks de vreemd innemende naam, de uitdrukking "zwart gat" is misschien enigszins misleidend. Het impliceert een gat in de ruimte-tijd waardoor materie zal vallen, in tegenstelling tot materie die op een ongelooflijk dicht object valt.

Wat er werkelijk bestaat binnen de waarnemingshorizon van een zwart gat, wordt fel bediscussieerd. Pogingen om dit te begrijpen omvatten het "fuzzball" -beeld uit de snaartheorie, of beschrijvingen van zwarte gaten in kwantumzwaartekrachttheorieën die bekend staan ​​als "spin-schuimnetwerken" of "luskwantumzwaartekracht".

Een ding dat zeker lijkt, is dat zwarte gaten ons nog een tijdje zullen blijven intrigeren en fascineren.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.