Wat is de 'Event Horizon' van een zwart gat?
Een zwart gat is misschien wel het meest mysterieuze object in de sterrenhemel.
Als je door een goede telescoop kijkt, zie je prachtige sterrenstelsels en nevels, maar een zwart gat zie je niet. Het is pikzwart en trekt alles aan wat te dichtbij komt.
Toch is er één specifieke grens die je je kunt voorstellen: de event horizon. Dit is de plek waar de zwaartekracht zo extreem wordt dat niets, echt niets, kan ontsnappen. Zelfs licht niet. En als licht niet kan ontsnappen, zie je er dus niets meer vanaf dat punt. Het is een drempel zonder terugweg.
Voor ons als sterrenkijkers is de event horizon een mentale grens. We kunnen een zwart gat niet rechtstreeks zien, maar we weten dat het bestaat door de manier waarop het de ruimte om zich heen beïnvloedt.
Met een telescoop van 150 mm tot 200 mm openingsdiameter kun je sterrenstelsels waarnemen waarin zich superzware zwarte gaten bevinden. Je ziet de schijf van materiaal dat eromheen draait, maar de event horizon zelf blijft verborgen. Toch is het een sleutelbegrip in de astronomie, want het vertelt ons waar de zwaartekracht de overhand neemt en de natuurkunde zoals we die kennen ophoudt te bestaan.
Wat is een event horizon precies?
Stel je een zwart gat voor als een diepe put in de ruimte-tijd. Hoe dichter je bij de bodem komt, hoe steiler de wanden worden.
De event horizon is de rand van die put. Op dit punt is de ontsnapsnelheid gelijk aan de lichtsnelheid. Dat betekent dat je, om te ontsnappen, harder zou moeten gaan dan het snelste wat er bestaat: licht.
Omdat dat onmogelijk is, val je onherroepelijk naar binnen. Het is niet dat er een muur staat; het is een denkbeeldige grens die je overschrijdt zonder dat je het merkt, tot het te laat is.
De grootte van de event horizon hangt af van de massa van het zwarte gat. Voor een zwart gat met de massa van de zon is de straal ongeveer 3 kilometer. Voor een superzwaar zwart gat in het centrum van ons melkwegstelsel, Sagittarius A*, is de event horizon veel groter: ongeveer 12 miljoen kilometer in doorsnee.
Dat is ongeveer 17 keer de diameter van de zon. Als je met een telescoop naar het centrum van de Melkweg kijkt, zie je niet het zwarte gat zelf, maar de sterren die eromheen cirkelen. Hun banen onthullen de massa en dus de grootte van de event horizon.
Waarom is de event horizon zo belangrijk?
De event horizon is de grens tussen bekende natuurkunde en het onbekende.
Binnen de horizon gelden andere regels dan buiten. De zwaartekracht is zo sterk dat tijd en ruimte op een vreemde manier verstrengeld raken.
Voor een buitenstaander lijkt de tijd bij de horizon stil te staan; voor iemand die invalt, verloopt de tijd normaal. Dit is geen sciencefiction, maar een gevolg van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Het is een theorie die we testen met telescopen en satellieten, en die tot nu toe steeds klopt. Voor sterrenkijkers is de event horizon vooral een hulpmiddel om zwarte gaten te begrijpen.
Je kunt een zwart gat niet zien, maar je kunt wel de schijf van gloeiend gas waarnemen dat eromheen draait.
Deze schijf, de accretieschijf, verhit zich door wrijving en zendt röntgenstraling uit. Met een röntgentelescoop of een optische telescoop met de juiste filters kun je deze schijf waarnemen. De rand van de schijf ligt dicht bij de event horizon. Hoe dichter de schijf bij de horizon komt, hoe heter en helderder het materiaal wordt, tot het onzichtbaar wordt omdat het de horizon passeert.
Hoe werkt de event horizon in de praktijk?
Stel je een zwart gat voor met de massa van tien zonnen. De event horizon heeft dan een straal van ongeveer 30 kilometer, wat ons doet afvragen hoeveel buitenaardse beschavingen er zijn in zo'n uitgestrekt heelal.
Als je een telescoop gebruikt om de omgeving te bestuderen, zie je misschien een heldere röntgenbron.
Dat is de accretieschijf. De schijf draait met hoge snelheid rond het zwarte gat. Door de zwaartekracht wordt het gas samengeperst en verwarmd tot miljoenen graden.
Het materiaal dat de event horizon passeert, verdwijnt voorgoed. Alleen de straling die net buiten de horizon ontstaat, bereikt ons.
Een ander fenomeen dat je kunt waarnemen, is de schaduw van het zwarte gat. In 2019 maakte de Event Horizon Telescope een foto van het zwarte gat in het sterrenstelsel M87. Op de foto zie je een oranje gloed met een donkere centrale schaduw. Die schaduw is ongeveer 2,5 keer groter dan de event horizon.
Het licht dat je ziet, komt van het hete gas net buiten de horizon.
De schaduw ontstaat omdat licht dat te dicht bij de horizon komt, wordt ingevangen. Dit is een visuele bevestiging van de event horizon, zelfs zonder de horizon zelf te zien.
Modellen en berekeningen: hoe groot is de horizon?
De straal van de event horizon wordt berekend met de Schwarzschild-straal. De formule is eenvoudig: R = 2GM/c², waarbij G de zwaartekrachtconstante is, M de massa van het zwarte gat, en c de lichtsnelheid.
Voor een zwart gat van 1 zonneweeg is de straal ongeveer 3 kilometer. Voor een superzwaar zwart gat van 4 miljoen zonneweegs, zoals in M87, is de straal ongeveer 12 miljard kilometer. Dat is groter dan de afstand van de zon tot Neptunus.
Er zijn verschillende modellen van zwarte gaten, elk met hun eigen event horizon.
De eenvoudigste is het Schwarzschild-zwart gat, dat niet draait. Een realistischer model is het Kerr-zwart gat, dat wel draait. Bij een draaiend zwart gat is de event horizon kleiner dan bij een niet-draaiend zwart gat van dezelfde massa. De rotatie trekt de horizon iets samen.
Dit is belangrijk voor de waarneming, omdat de schijf van materiaal dichter bij de horizon kan komen zonder direct in te vallen. De waarnemingen van het zwarte gat in M87 suggereren dat het draait, wat de grootte van de schaduw beïnvloedt.
Voor amateurs is het lastig om de event horizon direct te meten, maar je kunt wel de omgeving bestuderen. Gebruik een telescoop met een openingsdiameter van minimaal 150 mm om sterrenstelsels te zien waarin zwarte gaten actief zijn. Met een spectrograaf kun je de snelheid van de accretieschijf meten, wat een indirecte maat is voor de massa en dus de grootte van de event horizon.
Prijzen voor een basis spectrograaf liggen tussen €300 en €800, afhankelijk van de kwaliteit.
Merken zoals Starizona of Alpy bieden modellen voor amateurs.
Praktische tips voor sterrenkijkers
Wil je zelf op zoek naar zwarte gaten? Begin met het waarnemen van sterrenstelsels waarin zwarte gaten actief zijn.
Het sterrenstelsel M87 is een goed doelwit. Het ligt op ongeveer 53 miljoen lichtjaar afstand en is zichtbaar met een telescoop van 200 mm openingsdiameter. Gebruik een camera met lange sluitertijd om de zwakke gloed van de accretieschijf vast te leggen. Een goede planetaire camera zoals de ZWO ASI294MC Pro kost ongeveer €1.200 en is geschikt voor deep-sky fotografie.
Een andere tip: volg de banen van sterren rond Sagittarius A* in ons melkwegstelsel. Met een telescoop van 300 mm openingsdiameter en een sterrenvolgsysteem kun je de beweging van deze sterren meten.
De snelste sterren, zoals S2, bereiken snelheden tot 7.000 km/s. Hun banen onthullen de massa van het zwarte gat en laten zien hoe de levensloop van een ster verloopt, van nevel tot witte dwerg of supernova.
Een goed sterrenvolgsysteem zoals de Sky-Watcher HEQ5 Pro kost ongeveer €1.500 en is stabiel genoeg voor deze metingen. Investeer in filters om röntgenstraling te detecteren. Hoewel amateurs niet rechtstreeks röntgenstraling kunnen waarnemen, kun je met een H-alpha filter de emissie van de accretieschijf in het zichtbare licht zien.
Een set van drie filters (H-alpha, OIII, SII) kost ongeveer €200. Merken zoals Astronomik of Baader bieden hoogwaardige filters die compatibel zijn met de meeste telescopen.
Sluit aan bij een sterrenwacht of vereniging. Organisaties zoals de KNVWS (Koninklijke Nederlandse Vereniging voor Weer- en Sterrenkunde) organiseren workshops en waarnemingsavonden. Hier kun je leren hoe je zwarte gaten en hun omgeving kunt waarnemen.
Een lidmaatschap kost ongeveer €50 per jaar. Je krijgt toegang tot telescopen, cursussen en een netwerk van ervaren sterrenkijkers.
De event horizon is een grens die je niet kunt oversteken, maar wel kunt bestuderen. Met de juiste telescopen, filters en technieken kom je dichter bij het begrijpen van deze mysterieuze plek. Het is een uitdaging, maar elke waarneming brengt je een stap dichter bij de mysterieuze wereld van zwarte gaten.