130308 zwarte gaten

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



• Grotere massa’s, grotere

zwaartekracht.

• Grotere afstand, kleinere

zwaartekracht.

Sterevolutie

10/74




zwaartekracht.


zwaartekracht.

Sterevolutie

11/74




zwaartekracht.


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



Sterevolutie

22/74



…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…


32/74

Maar… Albert Einstein toonde in zijn

relativiteitstheorie aan dat je nooit

harder kunt gaan dan het licht!


33/74

Maar… Albert Einstein toonde in zijn

relativiteitstheorie aan dat je nooit

harder kunt gaan dan het licht!


2cmE

34/74

Elke planeet, ster, enzovoort, heeft

een ontsnappingssnelheid.

Voor de aarde is dat zo’n 11,2 km/s.


< 11,2 km/s > 11,2 km/s

35/74

Hoe zwaarder (en/of kleiner) het

object, hoe groter de ontsnappings-

snelheid.


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.


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.


11,2 km/s >300.000 km/s

38/74


< 300.000 km/s > 300.000 km/s

Aan zo’n object kan geen licht meer

ontsnappen…

39/74


< 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!


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!


42/74

Om in te zien dat zo’n truuk niet

bestaat moeten we nog iets meer

weten van de relativiteitstheorie.


2cmE

43/74

Die theorie zegt dat ruimte (en tijd!)

een soort “rubber” zijn dat je kunt

vervormen, uitrekken, enzovoort.


44/74

Een zwart gat “zuigt de ruimte op”

met meer dan 300.000 km/s.

Je kunt er dus nooit aan ontsnappen!


45/74

Zijn zwarte gaten dan niet enorm

gevaarlijk?


46/74

Dat valt wel mee, want hoe verder

weg je gaat, hoe kleiner de

ontsnappingssnelheid wordt.


300.000 km/s 100.000 km/s

47/74

Elk zwart gat heeft dus een horizon,

en alleen daarbinnen kun je niet

ontsnappen.


48/74

Als we de zon zouden samenpersen

tot een zwart gat…


49/74




50/74



…zouden we daar op aarde (qua

zwaartekracht) niets van merken!


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

130308 zwarte gaten

Education

Transcript of 130308 zwarte gaten