7.1 Neutronensterren, zwarte gaten


Figuur 59: Neutronenster .

Neutronensterren zijn ineengestorte sterren met een massa van minstens 1.4 M$_\odot$, en een straal van slechts $\sim$10 km. Ze bestaan grotendeels uit dicht opeengepakte neutronen; de dichtheid van de materie in een neutronenster is van de orde van die van een atoomkern. Het inwendige van een neutronenster is de enige bekende plaats waar macroscopische hoeveelheden van dit soort dichte materie voorkomen. De eigenschappen van de fundamentele wisselwerkingen tussen elementaire deeltjes, die de eigenschappen van materie bij deze dichtheid bepalen, zijn niet goed bekend. Door neutronensterren te bestuderen kunnen we dus meer te weten komen over het gedrag van elementaire deeltjes bij hoge dichtheid. Er zijn honderden neutronensterren bekend; ze zijn uiteraard onderwerp van levendige studie.


Figuur 60: Jet, waarschijnlijk uit zwart gat.

Zwarte gaten zijn de configuraties van ruimte-tijd waarvan de algemene relativiteitstheorie voorspelt dat die rond elk massapunt voorkomen. Volgens de theorie hebben zwarte gaten allerlei bizarre eigenschappen. Het gaat hier om een aantal van de meest fundamentele voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie. De beroemdste voorspelling is zonder twijfel die van de vorming van een bolvormig oppervlak, de event horizon (``informatie-horizon'') met een straal (de Schwarzschildstraal)

\begin{displaymath}\vbox{\hrule height .8pt\hbox{\vrule width .8pt\hskip 3pt
\v...
...$} \vskip 3pt}\hskip 3pt\vrule width .8pt}
\hrule height .8pt}\end{displaymath}

rondom een massapunt met massa $M$. Behoudens quantummechanische effecten werkt de horizon als een een-richting membraan: deeltjes en straling kunnen er wel in maar nooit meer uit. Er bestaan een stuk of tien astronomische objecten die vrijwel zeker een zwart gat bevatten, en er zijn enige honderdduizenden vermoedelijke zwarte gaten bekend.

Er zijn behalve de event horizon nog talloze andere voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie over zwarte gaten. Veel van de meest bizarre aspecten van een zwart gat zitten volgens de theorie veilig verborgen achter de horizon en zijn alleen waarneembaar voor een waarnemer die het zwarte gat binnen gaat. Een voorbeeld van een voorspelling die van buiten te testen is, is die van gravitationele tijddilatatie: in een zwaartekrachtveld loopt de tijd (van een afstand gezien) langzamer. Nabij een zwart gat verloopt, gezien door een waarnemer op afstand, elk fysisch proces dus langzamer naarmate je dichter bij de horizon komt. Op de horizon staat de tijd stil. Dit betekent dat een deeltje dat in een zwart gat valt gezien vanuit een waarnemer op afstand steeds langzamer beweegt en uiteindelijk op de horizon blijft ``plakken'' (vanuit het deeltje gezien is dit niet zo; dit gaat ``gewoon'' door de horizon heen en bereikt in een eindige tijd het centrum). Het centrale massapunt, de singulariteit, wordt ook in de algemene relativiteitstheorie niet volledig beschreven--algemeen neemt men aan dat hiervoor een quantum-gravitatietheorie nodig is. De algemene relativiteitstheorie laat echter zien, dat altijd als een voorwerp zich binnen zijn Schwarzschildstraal samentrekt er een zwart gat ontstaat, en dat alle massa zich dan in het centrum in een singulariteit samenbalt. De algemene relativiteitstheorie is zo succesvol, dat er maar door weinigen wordt getwijfeld aan de realiteit van deze voorspellingen. Toch is het testen ervan van groot belang, daar het hier gaat om voorspellingen in een regime (van zeer sterke zwaartekrachtvelden) waar nog geen waarnemingen van bekend zijn.

Het basisprobleem bij het waarnemen van compact objecten is dat ze niet, zoals kernreacties bij sterren, een energiebron in hun centrum hebben die leidt tot het uitzenden van straling. De meeste zwarte gaten en neutronensterren in ons melkwegstelsel zijn dan ook nog niet gevonden. Er zijn bijzondere omstandigheden nodig om ze waarneembaar te maken: op de een of andere manier moet er een energiebron worden aangeboord die tot het uitzenden van straling leidt (of het bestaan van een geheel donker compact object zou moeten worden afgeleid uit de effecten van hun zwaartekracht, maar dat is nog nooit met zekerheid gelukt). In de praktijk zijn er tot nu toe twee van dat soort bijzondere energiebronnen gevonden: rotatie en accretie.


[INDEX]