Post on 04-Jul-2015
description
Zwarte gaten
Marcel VonkJWG-Leo, 8 maart 2013
2/74
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!
Zwarte gaten
3/74
1. Sterevolutie
(Hoe ontstaan zwarte gaten?)
2. Relativiteitstheorie
(Waarom zijn ze zwart?)
3. Hawkingstraling en paradoxen
(Zijn ze wel echt zwart?)
Inhoud
1. Sterevolutie(Hoe ontstaan zwarte gaten?)
5/74
De zwaartekracht speelt een heel
belangrijke rol in ons verhaal.
Sterevolutie
6/74
Alles wat massa heeft trekt elkaar
aan!
Massa = “hoeveelheid stof” = gewicht,
als we het op aarde meten.
Sterevolutie
7/74
Alle voorwerpen die massa hebben
trekken elkaar aan.
…maar niet allemaal even hard!
Sterevolutie
8/74
Isaac Newton beschreef als eerste
hoe de zwaartekracht precies werkt.
Sterevolutie
9/74
Isaac Newton beschreef als eerste
hoe de zwaartekracht precies werkt.
• Grotere massa’s, grotere
zwaartekracht.
• Grotere afstand, kleinere
zwaartekracht.
Sterevolutie
10/74
Isaac Newton beschreef als eerste
hoe de zwaartekracht precies werkt.
• Grotere massa’s, grotere
zwaartekracht.
• Grotere afstand, kleinere
zwaartekracht.
Sterevolutie
11/74
Isaac Newton beschreef als eerste
hoe de zwaartekracht precies werkt.
• Grotere massa’s, grotere
zwaartekracht.
• Grotere afstand, kleinere
zwaartekracht.
Sterevolutie
12/74
Twee appels op een meter afstand
trekken elkaar dus ook aan…
…maar het kan wel een paar dagen
duren voor ze elkaar bereikt hebben!
Sterevolutie
13/74
Zwaartekracht speelt een belangrijke
rol in hoe het heelal gevormd is.
Dat begon zo’n 14 miljard jaar
geleden met de oerknal.
Sterevolutie
14/74
Vlak na de oerknal was het heelal een
heet gas van elementaire deeltjes.
Sterevolutie
15/74
Door de explosie vlogen al die
deeltjes uit elkaar…
Sterevolutie
16/74
…maar door de zwaartekracht
klonterden ze ook samen!
Sterevolutie
17/74
Zo ontstaan sterrenstelsels, sterren,
planeten, enzovoort!
Sterevolutie
18/74
Sterren zijn er in allerlei soorten en
maten.
Sterevolutie
19/74
Waarom storten sterren niet verder in
door hun zwaartekracht?
Omdat ze “branden”!
Sterevolutie
20/74
Dat “branden” heeft trouwens niets
met vuur te maken…
Sterevolutie
21/74
Dat “branden” heeft trouwens niets
met vuur te maken…
Sterevolutie
22/74
Dat “branden” heeft trouwens niets
met vuur te maken…
…maar met het in elkaar omzetten
van scheikundige stoffen.
Sterevolutie
23/74
Waterstof wordt helium wordt koolstof
wordt… enzovoort.
Bij elke stap komt energie vrij, en
daardoor “brandt” de zon!
Sterevolutie
24/74
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.)
Sterevolutie
25/74
Als een lichte ster “opgebrand” is
ontstaat een witte dwerg.
Sterevolutie
26/74
Als een lichte ster “opgebrand” is
ontstaat een witte dwerg.
Sterevolutie
27/74
Zwaardere sterren storten als ze
opgebrand zijn ineen tot heel zware
en kleine objecten.
Enorme zwaartekracht!
Sterevolutie
28/74
De zwaartekracht kan zó groot
worden dat een zwart gat ontstaat!
Sterevolutie
2. Relativiteitstheorie(Waarom zijn zwarte gaten zwart?)
30/74
Kan de zwaartekracht zó groot
worden dat je er niet meer aan kunt
ontsnappen?
Relativiteitstheorie
31/74
Je zou zeggen van niet: als je maar
hard genoeg gaat, ontsnap je wel…
Relativiteitstheorie
32/74
Maar… Albert Einstein toonde in zijn
relativiteitstheorie aan dat je nooit
harder kunt gaan dan het licht!
Relativiteitstheorie
33/74
Maar… Albert Einstein toonde in zijn
relativiteitstheorie aan dat je nooit
harder kunt gaan dan het licht!
Relativiteitstheorie
2cmE
34/74
Elke planeet, ster, enzovoort, heeft
een ontsnappingssnelheid.
Voor de aarde is dat zo’n 11,2 km/s.
Relativiteitstheorie
< 11,2 km/s > 11,2 km/s
35/74
Hoe zwaarder (en/of kleiner) het
object, hoe groter de ontsnappings-
snelheid.
Relativiteitstheorie
11,2 km/s 59,5 km/s
618 km/s
36/74
Hoe zwaarder (en/of kleiner) het
object, hoe groter de ontsnappings-
snelheid.
Relativiteitstheorie
11,2 km/s 22,4 km/s
37/74
Als een object zoals een ineen-
gestortte ster maar klein en zwaar
genoeg is…
…kan de ontsnappingssnelheid groter
worden dan de lichtsnelheid.
Relativiteitstheorie
11,2 km/s >300.000 km/s
38/74
Relativiteitstheorie
< 300.000 km/s > 300.000 km/s
Aan zo’n object kan geen licht meer
ontsnappen…
39/74
Relativiteitstheorie
< 300.000 km/s > 300.000 km/s
Aan zo’n object kan geen licht meer
ontsnappen…
…en dus ook niets anders!
40/74
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!
Relativiteitstheorie
41/74
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!
Relativiteitstheorie
42/74
Om in te zien dat zo’n truuk niet
bestaat moeten we nog iets meer
weten van de relativiteitstheorie.
Relativiteitstheorie
2cmE
43/74
Die theorie zegt dat ruimte (en tijd!)
een soort “rubber” zijn dat je kunt
vervormen, uitrekken, enzovoort.
Relativiteitstheorie
44/74
Een zwart gat “zuigt de ruimte op”
met meer dan 300.000 km/s.
Je kunt er dus nooit aan ontsnappen!
Relativiteitstheorie
45/74
Zijn zwarte gaten dan niet enorm
gevaarlijk?
Relativiteitstheorie
46/74
Dat valt wel mee, want hoe verder
weg je gaat, hoe kleiner de
ontsnappingssnelheid wordt.
Relativiteitstheorie
300.000 km/s 100.000 km/s
47/74
Elk zwart gat heeft dus een horizon,
en alleen daarbinnen kun je niet
ontsnappen.
Relativiteitstheorie
48/74
Als we de zon zouden samenpersen
tot een zwart gat…
Relativiteitstheorie
49/74
Als we de zon zouden samenpersen
tot een zwart gat…
Relativiteitstheorie
50/74
Als we de zon zouden samenpersen
tot een zwart gat…
…zouden we daar op aarde (qua
zwaartekracht) niets van merken!
Relativiteitstheorie
3. Hawkingstraling en paradoxen(Zijn zwarte gaten echt zwart?)
52/74
Het waarnemen van een zwart gat is
heel lastig…
…het is immers zwart!
Hawkingstraling
53/74
We moeten de eigenschappen van
een zwart gat dus voornamelijk
berekenen in plaats van meten.
Hawkingstraling
54/74
Stephen Hawking liet met zo’n
berekening zien dat zwarte gaten
misschien niet helemáál zwart zijn.
Hawkingstraling
55/74
Het idee is grofweg als volgt. Bij elk
soort deeltje hoort ook een
antideeltje.
Deeltjes en antideeltjes “heffen elkaar
precies op”.
Hawkingstraling
+ =
56/74
Omgekeerd kunnen deeltjes en
antideeltjes ook spontaan uit het niets
(“vacuüm”) ontstaan.
Hawkingstraling
+=
57/74
Als dit bij een zwart gat gebeurt, kan
het gebeuren dat het deeltje ontsnapt,
maar het antideeltje niet.
Hawkingstraling
58/74
In het zwarte gat kan het antideeltje
dan een deeltje tegenkomen en
opheffen.
Hawkingstraling
59/74
In het zwarte gat kan het antideeltje
dan een deeltje tegenkomen en
opheffen.
Hawkingstraling
60/74
Het zwarte gat is daarmee iets lichter
geworden, en heeft een deeltje
“uitgestraald”!
Hawkingstraling
61/74
Natuurlijk zou precies het
omgekeerde ook kunnen gebeuren…
Hawkingstraling
62/74
Het zwarte gat zou dan juist groeien,
maar Hawking liet zien dat het
“verdampingsproces” uiteindelijk wint.
Hawkingstraling
63/74
Dit idee leidt wel tot allerlei tegen-
strijdigheden (“paradoxen”) en
vragen. Bijvoorbeeld:
• Informatieparadox
• Microtoestanden
• Firewalls
Hawkingstraling
64/74
Informatieparadox: je kunt alles wat je
wilt in een zwart gat gooien…
Hawkingstraling
65/74
…maar de straling die eruit komt ziet
er altijd hetzelfde uit.
Hawkingstraling
66/74
Er lijkt dus informatie verloren te
gaan. Dit is iets wat we normaal in de
natuurkunde niet gewend zijn!
Hawkingstraling
67/74
Waar blijft de informatie in een zwart
gat??? Informatieparadox.
Hawkingstraling
68/74
Microtoestanden: een zwart gat zendt
straling uit, en heeft dus een
temperatuur.
Hawkingstraling
69/74
We zouden die temperatuur moeten
kunnen uitrekenen uit de manier
waarop het zwarte gat op
microscopische schaal is opgebouwd.
Hawkingstraling
70/74
Maar… we hebben geen idee hoe
een zwart gat er op microscopische
schaal (een “microtoestand”) eruit
ziet!
Hawkingstraling
71/74
Een laatste vraag: wat zie je als je in
een zwart gat valt?
Hawkingstraling
72/74
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!
Hawkingstraling
73/74
Kortom: er zijn nog talloze open
vragen over zwarte gaten…
.. die we hopelijk in de toekomst door
waarnemingen of berekeningen
kunnen beantwoorden!
Hawkingstraling
74/74
Zwarte gaten