MYSTERIE
VAN DE
ZWARTE
GATEN
SKYLAB-APPARA TUUR MOET ZOEKEN NAAR
Zon over miljard
jaar uit elkaar
NIET- WAARNEEMBARE" HEMELLICHAMEN
L
r
■MÉiSW
AARDE
PUL5AR
13.000 KM
DIAMETER
WITTE
DWERG
15
0 >10" 3’10“' 7*10’* 10’?l0
GRAM PER CM3 i
STRAAL IN KM
ffiliïBWSÈiiBW
jïwBfflHfadg
GA5
5 10
k i
V
1973
JUNI
30
ZATERDAG
Erbij
ff
EXPLOSIE
VERSCHIL
ZWARE STERREN
ZWAARTEKRACHT
VERBIJSTEREND
ZWART GAT
EP!
Zitten er gaten in het heelal? Niet zomaar ge
wone gaten, maar zelfs zwarte? Dat lijken erg
vreemde en wat griezelige vragen. Het gaat inder
daad om vreemde zaken, maar griezelig is het
niet. En bovendien gaat het om een in principe wel
grappig maar volkomen verkeerd benaamd kos
misch verschijnsel. Zwarte gaten of „black holes”,
zoals zij in de nu eenmaal internationaal ingestel
de wetenschappelijke wereld worden genoemd,
zijn nog nimmer waargenomen. Maar vermoede
lijk bestaan zij wel. Het zijn echter geenszins lege
open plekken in de ruimte, maar juist plekken
18
met een onvoorstelbaar dichte concentratie van
materie, zó dicht dat de zwaartekracht zelfs het
uitstralen van licht en andere elektromagnetische
verschijnselen verhindert. Omdat zij nooit direct
met telescopen of andere meetinstrumenten zijn
waar te nemen, kregen zij de naam van „black
holes’’ of zwarte gaten. Maar die benaming dekt
de juist bijzonder zware lading geenszins. Het is
één van de taken van de telescopen van het
Amerikaanse ruimtelaboratorium Skylab, te
speuren naar indirecte bewijzen voor het bestaan
van zwarte gaten.
y1
V'-
Sterren sterven met geweld
waarvan de straal door de lucht zwenkt.
sel, de Melkweg.
Men neemt aan, dat deze reacties zich
in alle zeer jonge en ook oudere sterren
afspelen, maar na het intreden van deze
tweede fase treedt er een verschil op
Onze zon, die zo’n lot beschoren is, zal
pas over een miljard jaar dit stadium
bereiken. We kunnen alleen maar hopen
dat ons verre nageslacht dan een oplos
sing gevonden heeft voor de problemen
die dit meebrengt.
Zulke enorme massaconcentraties zijn
mogelijk doordat wat wij „materie” noe
men eigenlijk hoofdzakelijk lege ruimte
is, waarin slechts hier en daar elemen
taire deeltjes rondzwerven die de ato
men vormen. De voornaamste van die
elementaire deeltjes zijn positief geladen
protonen, negatief geladen elektronen en
ongeladen neutronen. Maar meer dan 99
percent van de aardse materie is „lege”
ruimte.
Een supernova is ook kosmisch gezien
een gigantische gebeurtenis, waarvan het
lichtverschijnsel echter slechts korte tijd
duurt. Deze opname van de spiraalnevel
NGC 7331 werd door het Lick Observa
tory gemaakt. De foto toont bij de pijl
een tot supernova geëxplodeerde ster.
deeltjes wordt groter doordat zij elkaar
steeds dichter naderen. Er ontstaat de
situatie van een tot het uiterste gespan
nen springveer, die zo’n grote kracht
heeft verzameld dat de samendrukkende
kracht er niet meer tegenop kaïn. De ster
explodeert.
De signalen van een bepaalde sterkte
en frequentie duurden slechts honderd
sten van seconden en een bepaald pa
troon van opeenvolgende signalen werd
met een grote precisie, van een tot een
fractie van een seconde, herhaald. De
precisie was zeker beter dan één op tien
miljoen. Een aardse klok zou met deze
precisie niet meer dan een seconde per
jaar voor of achter lopen.
Dat was een enigszins verbijsterende
conclusie, want men meende voordien,
dat witte dwergen met een doorsnee als
die van de aarde (bijna 13.000 km) de
kleinste en dichtste zelflstralende hemel
lichamen in het heelal waren. Een ster
met een duizendvoudig kleinere diame
ter moest dan minstens een miljardmaal
zo grote dichtheid hebben als die toch al
bijzonder grote van een witte dwerg.
In 1968, een jaar na de ontdekking
van pulsars, werd in het centrum van de
Krabnevel, nauwkeurig op de plaats
waar zich de resterende „neutronenster”
van de supernova van het jaar 1054 zou
moeten bevinden, een pulsar waargeno
men, samenvallend met de plaats van
een heel klein sterretje.
Op dat moment is de zwaartekracht
aan het oppervlak van een ingekrompen
pulsar (die dan niet meer pulserende
straling kan uitzenden) tientallen mil
jarden malen groter dan die op aarde
De massaconcentratie is onvoorstelbaar
groot.
als anderhalve kubieke kilometer water
op aarde.
Wa
kurk
bij r
een i
woor
wind
uitge
Kaa^
veel
dan
al v
mijn
was
trou’
praa
de j<
die i
ik b<
maai
met
ning
De 1
de u
niet
naai,
laats
veel
Het proces van de laatste ineenstor
ting tot de finale explosie verloopt zeer
snel. In slechts enkele minuten. En het
lichteffect is veelal eveneens zeer kort:
enkele dagen. Maar andere gevolgen
blijven duizenden en miljoenen jaren
waarneembaar. Bij voorbeeld in de zich
nog steeds uitdijende materienievels rond
zo’n vroegere supernova.
Het resultaat is, dat de ingedikte pul
sar geen licht of welke straling dan ook
meer kan uitzenden. En daarmee in
principe voor de buitenwereld onwaar
neembaar wordt. Het wordt een „zwart
gat” in het heelal.
dichter ineengedrukte kern. De lichtuit-
straling van de explosie is veelal zo
groot, dat die ene supernova het licht
van het eigen sterrenstelsel van honderd
miljard sterren volledig overstraalt. Bij
die explosieve dood van een ster worden
ook zwaardere elementen gevormd, die
vrij zwevend in het heelal worden aan
getroffen en er eigenlijk van nature niet
„thuis horen” en die ook gevonden wor
den in de planeten.
Aanvankelijk dacht men hiermee de
kleinste en meest compacte actieve he
mellichamen gevonden te hebben. Maar
meer en meer helt men thans over
naar de mening, dat het uiteindelijke
stervensproces van grote sterren hiermee
nog niet is voltooid.
Theoretisch concentreert de massa van
een pulsar (veel meer dan een miljoen
maal die van de aarde) zich nog verder
dan in die bal van 10 tot 15 km
doorsnee. Veel verder zelfs, tot een dia
meter van ruim drie kilometer is be
reikt. Op dat moment treden merkwaar
dige verschijnselen op.
Uiteindelijk willen wij terechtkomen
bij de „zwarte gaten” als laatste fase
van het stervensproces van een ster.
Daarvoor zijn de „kleine” sterren zoals
de zon niet van belang, maar we willen
er toch iets over zeggen.
1
pen kan worden. In de kern treden
temperaturen op van biljoenen graden
(een biljoen is een miljoen maal een
miljoen) en de druk bedraagt waar
schijnlijk 10 tot de 26ste kg per vierkante
centimeter. Dat is een 1 met 26 nullen
er achter. Op aarde bedraagt de atmos
ferische druk ongeveer één kg per vier
kante centimeter.
De zeer nauwkeurige frequentiewisse-
lingen werden verklaard uit een zeer
snelle rotatie van de pulsar om de eigen
as en stralingsverschillen vanuit ver
schillende punten van de ster. Zoiets als
een zeer snel draaiend vuurtorenlicht,
Wordt door enorme druk en door zeer
hoge temperatuur, waarbij de elementai
re deeltjes van elkaar worden losge
scheurd, de „ruimte” tussen de deeltjes
weggeperst, dan ontstaan zeer dichte
concentraties, waarvan wij ons eigenlijk
geen voorstelling kunnen maken. Maar
het proces gaat nu een verbijsterende
kant op. Er treden geen nieuwe fusiere-
acties op, de samentrekking door de
gravitatiekrachten gaat door, maar de
afstotende kracht tussen gelijk geladen
Dat is een ook naar kosmische maat
staven gerekend gigantische gebeurtenis.
De ster slingert vrijwel alle materie de
ruimte in met dergelijke snelheden, dat
deze materie nooit meer terugvalt naar
de overgebleven en door de explosie nog
Maar dan nadert een catastrofaal sta
dium. De stabiliteit van ijzer is zo groot,
dat nieuwe kernfusies slechts in minie
me omvang kunnen optreden, waardoor
een nieuwe nu dramatische ineen
storting van de kern geen halt toegeroe-
Wanneer men op aarde een bal om
hoog gooit, komt deze weer naar de
aarde terugvallen als gevolg van zijn
gewicht. De zwaartekracht houdt hem
aan een lijntje en trekt hem naar bene
den. Aan het oppervlak van een tot 3
kilometer doorsnee ingekrompen pulsar
(met een massa van meer dan een
miljoen aardes) is de zwaartekracht zo
groot, dat zelfs de zeer „lichte” elektro
magnetische straling ondanks een princi
piële snelheid van 300.000.000 kilometer
per seconde niet aan de gravitatiekrach
ten kan ontsnappen. Niet alleen „terug
valt” maar zelfs in het geheel niet „van
de grond komt”.
Men nam al geruime tijd aan, dat als
restant van een supemova-explosie in de
kern een heel klein zwak sterretje moest
overblijven en met de eigenschap, dat
het niet uit protonen, elektronen en
dergelijke zou bestaan, maar uit neutro
nen. Men slaagde er niet in, deze theorie
te bevestigen.
Vanzelfsprekend kan dit proces niet
eindeloos voortgaan. Er komt steeds
meer helium, en de brandstof (water
stof) raakt op. Maar de natuurwetten
zorgen voor een voortzetting van het
proces. Niet alle vrijkomende straling
wordt door de ster naar buiten uitgesto
ten in de vorm van licht, warmte etc.
Een deel verwarmt de kern tot hogere
teftiperaturen, terwijl de druk door con
tractie toeneemt. Dan kunnen andere
kemfusiereacties optreden, namelijk die
van heliiumkemen (nu in grote voorraad
aanwezig) tot kernen van koolstof en
zuurstof.
De linker tekening stelt de vermoedelij
ke inwendige samenstelling van een pul
sar voor met daaronder links de dicht
heid van de materie op verschillende
dieptes en rechts een grootte-schaal. De
gasmantel om de pulsar (de buitenste
smalle witte band) is verhoudingsgewijs
te groot getekend. Deze is niet meer dan
hoogstens een paar meter dik en dit gas
is buitengewoon sterk geconcentreerd.
De Krabnevel, die ontstaan is tijdens het
optreden van een supernova in ons eigen
Melkwegstelsel in het jaar 1054. In het
centrum van deze nevel werd in 1968
een pulsar ontdekt precies op de plaats
waar zich een tot dat moment theoreti
sche neutronenster zou moeten bevinden
als sterk gecomprimeerd overblijfsel van
de kern van de geëxplodeerde ster. Toen
bleken neutronensterren en pulsars
identiek te zijn. Men vermoedt thans,
dat een pulsar een verdere stervensweg
volgt naar het stadium van „black hole".
De lichtende en vele soorten straling
uitzendende Krabnevel dijt nog steeds
uit met razende snelheid. De ruimte
tussen de sterren wordt door dit proces
gevoed met materie, niet alleen het al
gemeen voorkomende waterstof, maar
ook een hele reeks zwaardere elementen.
In 1967 werd bij toeval iets bijzonders
ontdekt. De studente in de astronomie
aan Cambridge University (Verenigde
Staten), Jocelyn Bell constateerde bij
een routine-onderzoek naar fluctuaties
in de radiostraling van verre sterrenstel
sels enkele planeten aan de hemel, waar
zich merkwaardig regelmatig uiterst
snelle veranderingen in het stralingspa-
troon voordeden, die niet afkomstig le
ken te zijn uit andere sterrenstelsels
maar uit ons eigen Melkwegstelsel.
Theoretici zijn het er nog niet over
eens, hoe dit proces dan wel moet verlo
pen en moet eindigen. Ons gezonde ver
stand zegt, dat er een grens moet zijn,
maar koele computerberekeningen lo
genstraffen dit verstand.
Eén liter materie van een „black hole”
heeft een aards gewicht van
1.500.000.000.000.000 kilogram. Een spel-
deknop van deze materie weegt evenveel
F
i i
I
Dergelijke uitzonderlijke signalen wa
ren nog nooit uit het heelal ontvangen
en aanvankelijk dachten ook serieuze
astronomen, dat zij geen natuurlijk
maar een kunstmatig fenomeen dienden
te zijn, afkomstig van intelligente we
zens elders. Misschien bakens voor
ruimtevaarders of telkens herhaalde
boodschappen die bedoeld waren om an
dere intelligenties op de hoogte te stel
len van hoog ontwikkeld leven.
Na soortgelijke ervaringen elders is
men thans van mening, dat pulsars en
neutronen-sterren twee benamingen
voor gelijke fenomenen zijn. De theore
tische verklaring van het pulseren, na
melijk snelle rotatie om de eigen as,
werd in 1969 bevestigd. Bij zo’n rotatie
zou de omwentelingssnelheid geleidelijk
moeten dalen. Men stelde inderdaad
vast, dat de frequentie van pulseren
geleidelijk iets lager wérd, zij het dan
ook slechts met een miljardste seconde
per dag. Dat lijkt erg weinig. Het is
minder dan een seconde per drie jaar.
Maar de moderne meettechnieken zijn
toch in staat, dergelijke afwijkingen vast
te stellen.
Overigens zal het nog jaren duren,
voordat men door de Skylab-metingen
of door andere observaties meer zeker
heid krijgt over de waarde van de
theorie der zwarte gaten. Tenzij er een
thans onverwachte doorbraak in het on
derzoek komt, maar juist dat onver
wachte maakt, dat daar thans nog geen
zinnig woord over te zeggen valt.
P. BOK
De situatie in een grote ster, die op het
punt staat als supernova te exploderen.
In de verschillende „schillen” (duidelijk
heidshalve afwisselend wit en grijs maar
dat heeft niets met licht te maken) de
voornaamste kernfusie-processen die
zich daar afspelen. De getallen in de
schillen (eenmaal voor drie schillen te
zamen) geven de massa’s materie in die
schil aan, uitgedrukt in hoeveelheden
zonne-massa. Te zamen is dat 30, dus
het gaat om een ster, die een massa van
30 zonnen heeft. Onze zon is meer een
betrekkelijk klein hemellichaam. Dit
model van een pre-supernova is opge
steld door Fowler en Hoyle.
WWWWWIA/WWWXA/WWVWWWWWWWWWWI
Die kleine sterren sterven een betrek
kelijke zachte (zij het af en toe tumul
tueuze) dood als „witte dwerg”. Zij wor
den „witte dwergen”. Een witte dwerg is
een ster met een complete zonnemassa
(onze zon is 333.420 maal zo massaal als
de aarde), maar met een diameter van
ongeveer die van de aarde. De materie is
tot enorme dichtheden samengedrukt, zo
groot als zij op aarde niet voortkomen.
De zwaartekracht aan het oppervlak van
zo’n witte dwerg bedraagt dan ook onge
veer miljoen maal die van de aardse
zwaartekracht. Tot voor kort nam men
aan, dat deze witte dwergen de grootste
massa-concentraties in het heelal waren.
Licht heeft, evenals alle andere elek
tromagnetische straling, een zeker ge
wicht, zij het uiterst klein. Einstein wees
in zijn relativiteitstheorie op dit gewicht
en de methoden, waarop het aangetoond
zou kunnen worden. Inderdaad is dit
bewezen, o.m. door afwijking van licht
stralen in een zeer sterk zwaarte-
krachtsveld.
directe omgeving omdat zij
inzicht geven in de aard van de
FWVWVVVWVVVVVVWVVVVVVWVVVVVVVWVVVVVVVVWVVV’
In de rechter tekening zijn de aarde en
een gemiddelde witte dwerg op gelijke
grootte getekend, omdat zij nagenoeg in
omvang overeenkomen. Daartussen ge-
heel rechts wilden wij een pulsar op
gelijke schaal tekenen. Het kon niet. Het
witte puntje dat u hier ziet is veel te
groot. Een pulsar is op deze schaal véél
kleiner dan de punt aan het einde van
deze zin, maar de massa van die pulsar
is miljoenen malen die van van de aarde
en veie malen die van een witte dwerg.
De tekening is gemaakt naar een illus
tratie bij een artikel van Malvin A.
Ruderman in Scientific American vol.
224, nr. 2, pag. 24 e.v. onder de titel
„solid stars”-
Een beroemde supernova in ons eigen
Melkwegstelsel was die uit het jaar 1054,
nauwkeurig in tijd en plaats aan de
hemel geregistreerd door Chinese kro
niekschrijvers. Doordat er miljarden
sterrenstelsels zijn die kunnen worden
waargenomen, hebben astronomen aan
zienlijk meer gegevens over dergelijke
kosmische rampen dan een enkel gege
ven van eeuwen her uit ons eigen stel-
Het antwoord op de vraag, wat pul
sars dan wel zijn, was eigenlijk al in de
jaren dertig gesuggereerd. Toen werd
door de Russische natuurkundige, astro-
fysicus en mathematicus Landau op
grond van berekeningen verondersteld,
dat de kern van een supernova als heel
kleine ster zou moeten achterblijven,
waar bij de explosie de elektronen in de
kernen van de atomen zouden zijn ge
perst. Protonen werden daardoor tot
neutronen. De massa van de ster zou
daardoor vrijwel geheel uit neutronen
bestaan en daardoor zeer compact zijn
samengebald omdat de ongeladen neu
tronen elkaar niet meer afstoten in te
genstelling tot protonen met een gelijke
positieve lading. Hij noemde deze hypo
thetische sterren dan ook „neutronen
sterren”.
tussen „grote” en „kleine” sterren. De
grens tussen deze groepen ligt bij 2,8
zonne-massa’s. Onze zon behoort, on
danks het feit dat zij een derde van een
miljoen maal meer massa dan de aarde
heeft en een ongeveer honderdmaal zo
grote middellijn, tot de kleinere sterren.
Het heelal, dat naar tegenwoordige begrippen 13 miljard jaar. oud is, is niet sta
tionair. Niet alleen is alles er in beweging, maar er is ook een evolutie waar te nemen.
Er worden sterren geboren, veelal met planeten, zoals ook „onze” ster, de zon, pla
neten heeft. Maar sterren sterven ook. Zij hebben niet het „eeuwige leven”. Een ster
is een geleidelijk door de zwaartekracht samengebalde hoeveelheid kosmisch veel
vuldig voorkomend gas, voornamelijk waterstof. Door de samentrekking en verdich
ting van deze waterstof ontstaan zeer hoge temperaturen en een hoge interne druk.
Onder die omstandigheden treden in het gas kernfusies op. Dat is het samensmelten
van twee waterstofkernen tot één heliumkern. waarbij veel energie in de vorm van
straling vrijkomt. Op aarde hebben wij dit procédé nagebootst in de waterstofbom,
maar wij zijn er nog niet in geslaagd het beheerst uit te voeren ten behoeve van de
energievoorziening.
Deze wonderlijke stralingsbronnen
werden dan ook aanvankelijk LGM’s
genoemd, een afkorting van Little Green
Men of wel de befaamde „kleine groene
mannetjes” uit science-fiction verhalen.
Na enig gedegen onderzoek bleek echter,
dat de signalen wel degelijk een natuur
lijke oorsprong hadden. Nadien werdén
de bronnen van die straling „pulsars”
genoemd. Door middel van allerlei tech
nieken en door computerberekeningen
kwam men tot de conclusie, dat pulsars
een massa moesten hebben van minstens
enige malen die van onze zon, maar een
doorsnee van slechts 10 tot 15 kilome
ter
In het voorgaande is het procédé
enigszins gesimplificeerd weergegeven,
maar dat is nodig zoals ook in de rest
van dit artikel om het voor de leek
begrijpelijk te houden. Voor wie zich er
verder in wil verdiepen is er begrijpelij
ke lectuur in overvloed. Het kemfusie-
proces van waterstof tot helium speelt
zich voornamelijk af in de kern van de
sterren, waar druk en temperatuur
(tientallen miljoenen graden) het gun
stigst zijn.
Geheel anders is de levensloop van
sterren, zwaarder dan 2,8 maal die van
de zon. Door de veel hogere drukken en
temperaturen die in de kernen van
zwaardere sterren optreden, worden de
condities geschapen voor weer verdere
kemfusiereacties. Dan smelten namelijk
de koolstofkemen samen tot magnesium,
zuurstof en andere elementaire kernen.
Het proces herhaalt zich daarna in an
dere vorm. Wanneer de koolstof is opge
bruikt „zakt” de ster bij gebrek aan
stralingsdruk in het centrum ineen.
Daarbij wordt de druk hoger en de hitte
groter. Dan kan een kemfusieproces op
treden waarin zuurstof tot silicium
wordt. In een soortgelijk veranderd pa
troon smelten de saliciumkemen zich
weer samen tot ijzerkemen.
Toch is ook dit volgens de huidige
theorieën nog niet het einde. De concen
tratie, de ineenstorting van de materie,
gaat door. Volgens computerberekenin
gen is geen bekende natuurkracht in
staat dit proces een halt toe te roepen,
ook al kunnen wij ons niet voorstellen
dat er geen grens aan het proces zou
zijn.
Bij drie kilometer doorsnee is een
stervende grote ster een zwart gat ge
worden, maar hij wordt kleiner: een
kubieke kilometer, een liter, een spel-
deknopen kleiner, met behoud van
de volledige massa van meer dan een
miljoen aardes, waarvan tengevolge van
de enorme gravitatiekrachten niets kan
worden afgestoten.
Dan zijn er echter geheel nieuwe con
cepties nodig op natuurkundig gebied.
Het is niet onmogelijk, dat wij uit die
nieuwe opvattingen ook veel nuttige ge
gevens zouden kunnen oogsten omtrent
onze directe omgeving omdat zij een
nieuw inzicht geven in de aard van de
materie, energie en tijd.
Maar dan is het in de eerste plaats
gewenst om er achter te komen of de
hypothese omtrent het bestaan van
„zwarte gaten” wel juist is. Dat wil
zeggen, we moeten eerst zo’n onwaar
neembaar hemellichaam zien te vinden.
Dat is geen eenvoudige taak. Enkele
experimenten van Skylab zijn er niette
min op gericht, aanwijzingen voor het
bestaan van black holes te ontdekken.
Zo is het mogelijk, de aanwezigheid van
een direct onwaarneembare massacon
centratie vast te stellen door afbuigingen
te constateren in de elektromagnetische
straling vanuit punten in het heelal, die
van de aarde af gezien vrijwel „achter”
zo’n zwart gat liggen. Want die afbui
ging in het krachtveld nabij een zwart
gat moet zeer groot zijn.
S X
tik.
