Swartkolk

Die supermassiewe swartkolk in die middel van die groot elliptiese sterrestelsel Messier 87 in die sterrebeeld Maagd. Sy massa is na raming miljarde kere so groot soos die Son s'n. Dit is die heel eerste swartkolk wat regstreeks afgeneem is, deur die Event Horizon Telescope. Die foto is op 10 April 2019 uitgereik. Die halfmaanvormige emissiering en sentrale skaduwee kan gesien word. Dit is ’n gravitasioneel vergrote beeld van die swartkolk se fotonring en die fotonvangsgebied van sy waarnemingshorison. Die halfmaanvorm is ’n gevolg van die swartkolk se rotasie en relativistiese verheldering; die skaduwee se deursnee is sowat 2,6 keer dié van die waarnemingshorison.

’n Swartkolk is ’n konsentrasie van massa wat só groot is dat swaartekrag alles verhoed om te ontsnap, selfs ligstrale. Dit word ook ’n swartgat of gravitasiekolk genoem. Die teorie van algemene relatiwiteit voorspel ’n massa wat so dig saamgepers is dat dit die ruimtetyd genoegsaam verwring om ’n swartkolk te vorm. Die grens van die streek waaruit niks kan ontsnap nie word die waarnemingshorison genoem. Hoewel die waarnemingshorison ’n enorme uitwerking het op die lot en omstandighede van ’n voorwerp wat dit verbysteek, lyk dit of geen uitwerking daar waargeneem word nie. In baie opsigte tree ’n swartkolk as ’n ideale swartstraler op omdat dit geen lig weerkaats nie.

’n Simulasie van ’n swartkolk wat as ’n gravitasielens optree en die beeld van die sterrestelsel op die agtergrond verwring.

John Michell en Pierre-Simon Laplace het in die 18de eeu die eerste keer die moontlikheid genoem van swaartekragvelde wat so sterk is dat lig nie kan ontsnap nie. Vir ’n lang tyd is swartkolke beskou as ’n wiskundige rariteit; dit was in die 1960's dat teoretiese werk gewys het hulle is ’n voorspelling van algemene relatiwiteit. Die ontdekking van neutronsterre in 1967 het belangstelling gewek in kompakte, deur swaartekrag saamgepersde voorwerpe as ’n moontlike astrofisiese werklikheid.

Swartkolke met ’n stergroot massa vorm na verwagting wanneer baie swaar sterre aan die einde van hul lewensiklus instort. Nadat ’n swartkolk ontstaan het, kan dit aanhou groter word deur massa uit sy omgewing op te neem. Deur ander sterre op te neem en met ander swartkolke saam te smelt kan supermassiewe swartkolke van miljoene sonmassas ontstaan.

Daar is algemene konsensus onder wetenskaplikes dat supermassiewe swartkolke in die middel van die meeste sterrestelsels voorkom.

Die teenwoordigheid van ’n swartkolk kan afgelei word uit die wisselwerking met ander materie en met elektromagnetiese straling soos sigbare lig. Materie wat om ’n swartkolk saampak, kan ’n eksterne akkresieskyf vorm wat deur wrywing verhit word en een van die helderste voorwerpe in die heelal vorm. As ander sterre om ’n swartkolk wentel, kan hulle wentelbane gebruik word om die swartkolk se massa en ligging te bepaal. Sulke waarnemings kan gebruik word om moontlike alternatiewe, soos neutronsterre, uit te skakel. So het sterrekundiges talle stellêre swartkolkkandidate in dubbelsterstelsels geïdentifiseer, en vasgestel dat die radiobron bekend as Sagittarius A*, in die middel van die Melkweg, ’n supermassiewe swartkolk van sowat 4,3 miljoen sonmassa bevat.

Op 11 Februarie 2016 het die LIGO-medewerkers die eerste regstreekse waarneming van swaartekraggolwe aangekondig, wat ook die eerste waarneming van ’n samesmelting van swartkolke was. Teen Desember 2018 is 11 swaartekraggolfvoorvalle waargeneem wat ontstaan het uit 10 samesmeltende swartkolke (asook een dubbelneutronster-samesmelting). Op 10 April 2019 is die eerste regstreekse foto van ’n swartkolk en sy omgewing gepubliseer ná waarnemings deur die Event Horizon Telescope in 2017 van die supermassiewe swartkolk in die middel van Messier 87.

Klassieke model

'n Afbeelding van 'n swartkolk met 'n begeleiderster (geel) wat sy Roche-lob gevul het. Gas uit die begeleider val na die swartkolk en vorm 'n akkresieskyf (blou). 'n Deel word loodreg met veel energie uitgespu in die vorm van fonteine aan beide pole.

Albert Einstein se teorie van algemene relatiwiteit beskryf hoe driedimensionale ruimte gekrom word in 'n vierde dimensie hoe groter die massadigtheid. Indien die massadigtheid 'n sekere perk oorskry, word die ruimte sodanig gekrom dat invallende materiaal (selfs ook ligstrale) vir ewig binne die ruimtegebied sal rondreis en nooit weer in ons driedimensionale ruimte 'n verskyning sal maak nie.

Om hierdie begrip te visualiseer, dink aan 'n tweedimensionale, plat vel papier. Rol nou een sy van die papier in 'n klein sirkel om, sodat die res van die papier nog plat bly en net een kant nou 'n pyp vorm. Ons driedimensionale ruimte kan nou as die res van die papier gesien word. Ligstrale kan op hierdie papier voorgestel word as reguit lyne. Enige lyne wat op die plat gedeelte van die papier getrek word in die rigting van die opgerolde sy sal mettertyd in die pyp ingaan en dan vir ewig daarbinne rond en rond maal. In hierde voorstelling is die opgerolde sy gekrom in 'n ekstra dimensie. Die wand van die pyp is 'n analoog vir die begrip van 'n gebeurehorison (event horizon) wat 'n membraan is op 'n afstand rondom die massamiddelpunt van die swartkolk.

Die teorie voorspel dat daar by die massamiddelpunt self moontlik 'n oneindige digtheid bereik kan word. Dit staan bekend as 'n enkelheid (Engels: singularity). Einstein self het nie aan hierdie voorspelling geglo nie, en was oortuig dat sy teorie onvoltooid was, omdat sulke oneindighede volgens hom nie in die natuur sou bestaan nie.

'n Ander voorspelling van Einstein is dat tyd al hoe stadiger verbygaan namate 'n swaartekragveld toeneem. Dus, hoe nader 'n invallende partikel aan die enkelheid beweeg, hoe stadiger beweeg dit. Geen partikel kan dan ooit die massamiddelpunt bereik nie, want 'n oneindige tyd word daarvoor benodig.

Kwantummodel

'n Fiktiewe afbeelding van 'n swartkolk van sowat 10 sonmassas, soos van 'n 600 kilometer afstand gesien.

Kwantummeganika sê egter dat virtuele partikelpare spontaan en gedurig regoor die heelal ontstaan, en 'n kort rukkie later mekaar wedersyds vernietig. Só bly die netto energie van die heelal konstant, maar fluktueer steeds in die ultra-korttermyn. In 1974 het Stephen Hawking wiskundig bewys dat van hierdie virtuele partikels spontaan sal ontstaan só dat een binne die gebeurehorison is, terwyl die ander een buite die membraan is. Weens die ruimtekromming kan die twee nou nooit bymekaar uitkom om mekaar te vernietig nie. Dus eindig een partikel met positiewe energie in ons driedimensionale ruimte terwyl die ander een met negatiewe energie in die swartgat bly, waar dit met 'n ander partikel sal bots en die twee mekaar vernietig. So verloor die swartkolk dan 'n partikel in die proses. Na 'n voldoende lang tyd (en sover ons kennis strek mag die heelal vir ewig bestaan) sal al die partikels binne die swartkolk so vernietig word.

Daar is genoegsame astronomiese waarnemings van supernova's en X-straaluitstraling uit kerne van sterrestelsels om geloofwaardigheid te verleen aan die bestaan van swartkolke.

Stringmodel

Verborge swartkolke op foto's deur diverse ruimteteleskope.

Die meer moderne Stringteorie voorspel egter dat die vibrerende stringe van materie-partikels wat binne die gebeurehorison inval sal kombineer om langer stringe te vorm. Hoe langer die stringe, hoe meer kompleks die vibrasies en vorme wat dit kan aanneem binne 'n gegewe ruimte. Een afleiding hieruit is dat daar nie 'n enkelheid sal ontstaan nie, maar dat die massa en energie binne die gebeurehorison min of meer eweredig verspreid sal wees.

Waarneming

Die moeilikheid met die waarneem van swartkolke in die heelal is dat hulle deur hul sterke swaartekragvelde geen lig kan uitstraal nie. Waarnemings van hierdie hemelliggame geskied gevolglik indirek, waar moontlik, byvoorbeeld deur die gedrag van sterre in die onmiddellike nabyheid te bestudeer.

Gas van 'n nabye ster word na die swartkolk aangetrek en beskryf 'n baan om die kolk heen, wat 'n sogenaamde akkresieskyf (aangroeiskyf) vorm. Aangesien die materie aan die binnekant van die skyf sneller draai as die lae wat verder geleë is, ontstaan daar wrywing. Hierdie wrywing veroorsaak röntgenstraling, wat met 'n röntgenteleskoop waargeneem kan word. Die bestaan van andere swartkolke word afgelei uit die bewegings van een enkele ster of 'n dubbelster wat om iets heen wentel wat onsigbaar is.

In die sentrum van die Melkweg word waarskynlik 'n swartkolk aangetref: Sagittarius A*. Die massa hiervan kan bepaal word deur die bane van die sterre te bestudeer wat hulle in die buurt van die sentrum van die Melkweg bevind. Die kolk word op ongeveer 3,7 miljoen sonmassas geskat.

In die buurt van 'n swartkolk word nuwe sterre gevorm.

Galery

• 
  Hierdie opname toon die sentrum van die Melkweg in vals kleure. Die helder punt in die middel is 'n uitbarsting van röntgenstraling in die buurt van Sagittarius A^*. Die stralingsintensiteit het minuut vir minuut geweldig toegeneem, vir drie uur aangehou en daarna vervaag. Waarskynlik het hier gas in die swartkolk geval.
• 
  Swartkolke is per definisie onsigbaar, maar daar is wel indirekte aanduidings. Byvoorbeeld ontstaan daar gereeld röntgenstraling wat soms (soos in hierdie geval) in infrarooi en sigbare lig omgeskakel word.
• 
  'n Simulasie van 'n swartkolk wat die beeld van 'n verbygaande sterrestelsel in die agtergrond vervorm en selfs 'n ring van lig veroorsaak. By egte waarnemings gaan dit gereeld om kleinere beelde van sterrestelsels en kwasars as in hierdie simulasie.

Bronne

• Hawking, Stephen (1998) A Brief History of Time, Bantam Books, Inc. ISBN 0-553-38016-8
• Pickover, Clifford (1998) Black Holes: A Traveler's Guide, Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 0-471-19704-1
• Ferguson, Kitty (1991) Black Holes in Space-Time, Watts Franklin. ISBN 0-531-12524-6

Eksterne skakels

• Wikimedia Commons het meer media in die kategorie Swartkolk.
• Hierdie artikel is vertaal uit die Engelse Wikipedia