Categorieën
Astronomie Het Heelal

Black Holes zijn eindelijk populair.

De Nobelprijs is slechts het nieuwste bewijs dat een concept dat in 1939 door Einstein werd afgewezen, een van de meest populaire onderwerpen in de natuurkunde is geworden

Illustratie van een zwart gat dat een ster verscheurt. Krediet: Mark Garlick Getty Images

Bij zwarte gaten is wat je ziet niet wat je krijgt. De lichtring die zichtbaar is rond het silhouet van een zwart gat is afkomstig uit een straal van ongeveer 5GM / c2, waarbij G de constante van Newton is, M de massa van het zwart gat en c de lichtsnelheid. Deze ring is groter dan de waarnemingshorizon van een niet-spinnend zwart gat met een factor 2,5 – of maximaal vijf met toevoeging van spin. En dus, de waarheid in reclame vereist dat ik je vertel dat de Event Horizon-telescoop niet echt de waarnemingshorizon van het superzware zwarte gat in het sterrenstelsel M87 in beeld heeft gebracht, maar eerder het licht van veel verder weg.
Voor een verre waarnemer is het verschil tussen de lichtring en de horizon academisch, maar voor een astronaut op weg naar het zwarte gat is het verschil existentieel. Het betreden van de ultieme gevangenismuren geassocieerd met de horizon impliceert een doodvonnis, zonder de mogelijkheid om de ervaring met de buitenwereld te delen. Na minder dan een dag bereikt het lichaam van de astronaut de singulariteit en wordt het uiteengereten door de zwaartekracht.
In 1939 schreef Albert Einstein een artikel in Annals of Mathematics waarin hij twijfelde aan het bestaan van zwarte gaten in de natuur. Nu zijn zwarte gaten in zwang – zo erg zelfs dat de Nobelprijs voor natuurkunde in 2020 werd toegekend aan drie wetenschappers die ze hebben bestudeerd. Dit gaf me reden om te vieren, als oprichter en directeur van Harvard’s Black Hole Initiative, dat astronomen, natuurkundigen, wiskundigen en filosofen samenbrengt, allemaal toegewijd aan onderzoek naar zwarte gaten.

Karl Schwarzschild zou met veel plezier aanwezig zijn geweest bij onze viering. Helaas stierf hij meer dan een eeuw geleden aan het Duits-Russische front tijdens de Eerste Wereldoorlog, slechts een half jaar nadat hij de niet-vastzittende oplossing van het zwarte gat had afgeleid uit de vergelijkingen van Einstein.
Een van de ontvangers van de Nobelprijs voor 2020, Roger Penrose, toonde aan dat zwarte gaten een robuuste voorspelling zijn van Einsteins algemene relativiteitstheorie, en bedacht daarbij een nieuw wiskundig hulpmiddel om ruimtetijden weer te geven, genaamd Penrose-diagrammen. Hij toonde ook aan dat het mogelijk is om energie uit een draaiend zwart gat te halen alsof het een vliegwiel is, door middel van het zogenaamde Penrose-proces. Zijn kosmische censuurhypothese beschermt ons vermogen om voorspellingen te doen over de toekomst van het universum tegen de pathologie van singulariteiten van zwarte gaten, waar de ruimtetijdkromming opblaast en Einsteins theorie kapot gaat. Dit vermoeden stelt dat alle singulariteiten verborgen zijn achter een waarnemingshorizon, zodat materie die hen nadert geen oorzakelijk effect heeft op wat er buiten de horizon gebeurt. Net zoals ze zeggen over Las Vegas, “wat er binnen de horizon gebeurt, blijft binnen de horizon.”
De twee andere Nobelprijswinnaars in de natuurkunde dit jaar, Reinhard Genzel en Andrea Ghez, toonden aan dat een zwart gat van vier miljoen zonnen zich in het centrum van ons eigen Melkwegstelsel bevindt. De ontdekking van quasars meer dan een halve eeuw geleden impliceerde dat zich in het algemeen superzware zwarte gaten vormen in de centra van sterrenstelsels. Door de beweging van massieve sterren rond het centrum van ons eigen melkwegstelsel in realtime te volgen, alsof het planeten zijn die in een baan om een ster draaien, toonden ze het bestaan van een zwart gat daar aan. Voorafgaand aan hun werk was het onduidelijk of een zwart gat wordt geassocieerd met de stationaire radiobron Sagittarius A *.
Ze maten niet alleen de massa van het zwarte gat, maar testten ook Einsteins zwaartekrachttheorie. De sterren die ze ontdekten, bewegen in twee baanvlakken. In een nieuw artikel met Giacomo Fragione hebben we laten zien dat de spin van het zwarte gat daarom klein moet zijn, anders zou het de strikte baanvlakken van de sterren gedurende hun leven vervagen. De teams onder leiding van Genzel en Ghez waren verwikkeld in hevige concurrentie en brachten hun inspanningen tot grote hoogten. Dit was een prachtige demonstratie van hoe rivaliteit goede wetenschap bevordert.
Een van de sterren die door Genzel en Ghez zijn getraceerd, genaamd S2, voltooit elke 16 jaar een baan rond het galactische centrum. Het gerelateerde advies dat ik astronomiestudenten gaf, is om zich te concentreren op hun Ph.D. project op een bron als S2 die zich over een tijdschaal van een decennium of twee ontwikkelt, zodat ze gedurende hun hele loopbaan nieuwe dingen over de bron zullen blijven leren.

Als Stephen Hawking nog had geleefd, zou hij een waardige kanshebber zijn geweest voor de Nobelprijs van dit jaar, aangezien zijn werk parallel liep aan dat van Penrose over de klassieke algemene relativiteitstheorie, met de toevoeging van het kwantummechanische aspect van de verdamping van het zwarte gat.

Zwarte gaten zijn eenvoudig en complex tegelijk. Ze worden beschreven door massa, lading en spin, maar zoals Jacob Bekenstein voor het eerst herkende, dragen ze een enorme entropie. Het zou opmerkelijk zijn om een excursie naar het dichtstbijzijnde zwarte gat te maken en het van dichtbij te bestuderen. De reis zou praktisch zijn gedurende een mensenleven als er een in het zonnestelsel is.
Hoewel zwarte gaten de donkerste objecten zijn als ze alleen worden gelaten, verschijnen ze als de helderste lichtbronnen wanneer ze worden aangekleed met een lijkwade van materie, waardoor ze perfecte symbolen van Halloween zijn. Uitstromen uit superzware zwarte gaten bepalen de evolutie van hele sterrenstelsels. Deze beesten stoppen alleen met groeien omdat ze zo energiek worden dat ze hun eten van hun eettafel schuiven.


Gepubliceerd op: Scientificamerican.com

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

Deze site gebruikt Akismet om spam te bestrijden. Ontdek hoe de data van je reactie verwerkt wordt.