Hoe ontstaan zwarte gaten
Stellaire massa zwarte gaten
De stellaire zwarte gaten ontstaan als een laatste evolutiestadium van massieve sterren. De ster moet minstens tien keer groter zijn dan de massa van de zon. Dit garandeert dat nadat alle splijtstof is verbruikt en de ster explodeert en buitenste schalen afwerpt, er nog voldoende massa in de kern is met voldoende zwaartekracht om in een zwart gat te vallen. De meest massieve sterren hebben een massa van slechts ongeveer 500 zonsmassa’s, anders zijn ze niet stabiel. Het betekent dat het meest massieve zwarte gat van de stellaire oorsprong ook een massa van ongeveer enkele honderden zonmassa’s kan hebben.
De meeste van de sterren leven in paren als binaries of in sommige meer gecompliceerde systemen. Onze zon maakt hier nogal een uitzondering omdat alleen elke vijfde ster in onze Melkweg op zichzelf leeft zonder een metgezel. Stel je een binair systeem voor met twee zware sterren van behoorlijk vergelijkbare maar toch verschillende massa’s. De zwaardere ster zal iets sneller evolueren en zal eerder zonder brandstof komen te zitten. Wanneer dat gebeurt, zal het ontploffen als een supernova en waarschijnlijk een zwart gat creëren van wat er nog over was van zijn kern. De andere ster, ervan uitgaande dat hij de cataclysmische explosie van zijn zus heeft overleefd, zal binnenkort ook aan het einde van zijn leven komen. Voor een korte periode (het is kort vanuit het oogpunt van de leeftijd van de ster, maar het kan miljoenen jaren duren), voordat het ontploft als een supernova, zal het opgroeien in grootte en zijn oppervlaktetemperatuur verlagen . In dit stadium kan het groot genoeg worden om de buitenste schillen door het zwarte gat op korte afstand door de zwaartekracht aangetrokken te krijgen. Materiaal van het oppervlak van de ster zal naar het zwarte gat stromen. Omdat de twee objecten om elkaar heen draaien, is de stroming van het materiaal niet recht, maar wordt het gesleept door de niet-traagheidsbestendige Corriolis-kracht en vormt het een accretieschijf rond het zwarte gat. Het gas wordt visceus verhit en zendt elektromagnetische straling uit van golflengten die overeenkomen met zijn temperatuur in het bereik van infrarood tot röntgenstralen. Dit is de fase, wanneer we kunnen ontdekken dat daar een zwart gat is en wanneer we het kunnen waarnemen via zijn aanwasschijf. Wanneer de tweede ster eindigt en explodeert, kunnen we eindigen met een binair zwart gatenstelsel of (afhankelijk van de oorspronkelijke massa van de sterren) met een zwart gat en neutronensterrensysteem of met een binaire neutronenster.
Wat we hebben beschreven is slechts een van de mogelijke manieren waarop een stellair zwart gat kan worden gemaakt. Dat scenario is vrij typisch, maar de details kunnen verschillen afhankelijk van de omstandigheden. Het hangt helemaal af van massa’s van de originele sterren, of het systeem nu eindigt als een binair zwart gat of een zwart gat en neutronenster of als een binaire neutronenster. Als er twee zwarte gaten overblijven, kunnen we daarover alleen leren met een gravitatiegolfdetector. Als er een zwart gat en een neutronenster overblijven en we hebben geluk en de neutronenster is een pulsar gericht op de aarde, kunnen we zijn pulsen detecteren met geleidelijk toenemende frequentie, wat een teken is van een tweede massieve component in het systeem. We kunnen zelfs van geluk spreken en een dubbele pulsar vinden waarbij twee neutronensterren beide pulsars worden en bovendien zijn ze beide gericht op de aarde zodat we pulsen van beide kunnen meten. Inderdaad, een dergelijk systeem werd gevonden en zij dienen ons om indirect voorspellingen van Einstein’s relativiteitstheorie te bevestigen.
Superzware zwarte gaten
De superzware zwarte gaten zijn aanzienlijk massiever en ze zijn ook veel ouder. Hun oorsprong is echter hetzelfde als de oorsprong van stellaire massa zwarte gaten. Toen de eerste sterren werden gemaakt uit overvloedige dichte wolken van waterstof en helium in het vroege universum, waren ze zwaar met massa’s van honderden solaire massa. Ze leefden ook kort omdat ze de brandstof snel verbrandden en al snel veranderden ze in eerste zwarte gaten. De zwarte gaten waren groter en talrijker waar de oorspronkelijke gaswolk zwaarder en kleiner was en minder overvloedig waar de geboortenwolk schaarser was. Ze handelden op elkaar door hun zwaartekracht, grotere fuseerden met kleinere en groeiden in massa. Miljarden jaren gingen voorbij, het universum was uitgebreid en de iets grotere zwarte gaten groeiden door voortdurend te versmelten met kleinere tot enorme massa’s. Ze worden lokale zwaartepunten en vormen hele sterrenstelsels om hen heen. Tegenwoordig denken we op basis van goed bewijs dat elk melkwegstelsel een superzware zwarte gaten in zijn kern bevat met minstens een miljoen tot tientallen miljard zonne-massa’s.
