Vertaald door Piet Das.
Heb je moeite om zwarte gaten aan je leerlingen uit te leggen? Waarom deze eenvoudige practica niet geprobeerd in de klas?
zwart gat door een
kunstenaar. Het zwarte gat is
slechts een punt precies in
het centrum, maar de
zwaartekracht is zo sterk dat
het licht van sterren er
rondom niet in staat is om te
ontsnappen.
Figuur met dank aan het
Europees Ruimte-Agentschap
NASA en Felix Mirabel (the
French Atomic Energy
Commission & the Institute for
Astronomy and Space Physics /
Conicet of Argentina)
Veel jonge mensen hebben gehoord van zwarte gaten en begrijpen dat als er iets in valt, het er niet meer uit kan - zelfs licht kan niet ontsnappen. Daaraan dankt een zwart gat zijn naam: het is een punt in de ruimte die geen licht uitzendt (figuur 1). Dit is geen eenvoudig concept om uit te leggen. In dit artikel introduceer ik daarom kort zwarte gaten en beschrijf vervolgens twee eenvoudige practica om leerlingen te helpen visualiseren wat er gebeurt. Elke activiteit duurt ongeveer een uur, beide zijn geschikt voor leerlingen van 10-14 jaar (houd er overigens rekening mee dat de recensent voorstelt om de activiteiten voor leerlingen van 10-19 jaar te gebruiken).
ingestorte ster of
singulariteit de
waarnemingshorizon, een
gebied rond de singulariteit
waar zelfs licht niet kan
ontsnappen en het gebied
buiten de
waarnemingshorizon, waar
voorwerpen de zwaartekracht
van het zwarte gat kunnen
voelen zonder dat ze
gevangen worden. Klik op de
figuur om te vergroten.
Figuur met dank aan Monica
Turner
Zwarte gaten ontstaan tijdens het afsterven van gigantische sterren (minstens enkele keren de massa van onze zon).
Een ster bestaat uit een hete kern omgeven door vele lagen gasw1. In de kern van de ster zijn lichtere elementen zoals waterstof en helium met elkaar verbonden door kernfusie om zo zwaardere elementen zoals metalen te vormen. De warmte die op deze manier wordt gevormd oefent een naar buiten gerichte druk uit, die de zwaartekracht tegenwerkt waardoor het gas naar het midden van de ster getrokken wordt en de ster zijn grote omvang geeft. Als de ster geen brandstof meer heeft in zijn kern, is het dan niet in staat om deze zware buitenste gaslagen te ondersteunen. Als de stervende ster erg groot is, zal de zwaartekracht aan het gas trekken en veroorzaken dat de ster steeds kleiner en kleiner wordt totdat de dichtheid op een bepaald punt oneindig wordt, dit wordt een singulariteitgenoemd (figuur 2).
NGC 3621, genomen met
behulp van de Very Large
Telescope op de Europese
Zuidelijke Sterrenwacht
(ESO). Men veronderstelt dat
dit sterrenstelsel een actief
superzwaar zwart gat in het
centrum heeft dat materie
opslokt en straling
produceert.
Figuur met dank aan ESO
Dicht bij de singulariteit is de zwaartekracht zo sterk dat niets kan ontsnappen. De ontsnappingssnelheid zou hoger moeten zijn dan de lichtsnelheid – dus zelfs licht kan niet ontsnappen, daarom is het zwarte gat zwart. (Het is niet echt een gat, hoewel: er zit daar veel in, hoewel we het niet kunnen zien.)
Op een bepaalde afstand van de singulariteit is de zwaartekracht zwak genoeg om licht te laten ontsnappen, waardoor voorwerpen buiten deze afstand zichtbaar zijn. Deze grens wordt de waarnemingshorizon genoemd. Voorwerpen buiten de waarnemingshorizon voelen nog steeds de zwaartekracht van het zwarte gat en zullen er naar toe worden getrokken maar ze kunnen worden gezien en mogelijk kunnen ze ontsnappen als ze erin dreigen te vallen. Zodra voorwerpen echter binnen de waarnemingshorizon worden getrokken, is er geen terugkeer mogelijk.
Nadat het zwarte gat gevormd is kan het groeien door het opnemen van massa uit zijn omgeving zoals andere sterren en andere zwarte gatenw2. Als een zwart gat genoeg materiaal opneemt, kan het een superzwaar zwart gat worden, wat betekent dat het een massa van meer dan een miljoen zonnemassa's heeft. Er wordt aangenomen dat superzware zwarte gaten bestaan in de centra van veel sterrenstelsels onder andere de Melkweg.
Meestal observeren astronomen objecten in de ruimte door te kijken naar het licht, op deze manier bestuderen ze bijvoorbeeld sterren (zie bijvoorbeeld Mignone & Barnes, 2011). Omdat zwarte gaten geen licht uitzenden kunnen ze niet worden waargenomen op de gebruikelijke manier. In plaats daarvan moeten astronomen de interactie van het zwarte gat met andere objecten observeren. Een manier om dit te doen is te kijken naar de bewegingen van sterren rond het zwarte gat omdat hun banen veranderd zullen worden veranderd door zijn aanwezigheidw3.
Dit practicum zal de leerlingen laten zien hoe een zwart gat wordt gevormd door het instorten van een gigantische ster, ooit de kern van de ster die niet in staat is om het gewicht van de buitenste gaslagen eromheen ondersteunen. De benodigde tijd zou ongeveer een uur moeten zijn.
Elke werkgroep heeft nodig:
nodig zijn voor practicum 2
Figuur met dank aan Charlotte
Provost en Monica Turner
Antwoord: De verfrommelde bal is veel te groot om een zwart gat voor te stellen. Zelfs een echt zwart gat die gevormd is uit een gigantische ster is kleiner dan de punt van een potlood.
Het bouwen van de ster met meer gaslagen (nagebootst met de folie) zou de ster groter maken. Het zou ook resulteren in de vorming van een zwaarder zwart gat omdat er meer materiaal zou zijn waarmee het zwarte gat gevormd wordt.
Hoewel ze een verschillende grootte hebben, hebben de ster en het zwarte gat dezelfde massa omdat ze gemaakt zijn van exact dezelfde hoeveelheid materiaal. Aangezien het zwarte gat kleiner is heeft het meer materiaal en minder volume en daarom een grotere dichtheid.
het midden te leggen wordt
het ruimte-tijd weefsel
verbogen.
Figuur met dank aan Charlotte
Provost en Monica Turner
In dit practicum gaan de studenten een model bouwen van een zwart gat, om hen te helpen visualiseren hoe een zwart gat de ruimte-tijd kan 'buigen' en nabije objecten beïnvloedt. Het practicum duurt ongeveer een uur.
Elke werkgroep heeft nodig (figuur 3):
knikker over het weefsel en
bekijk hoe zijn baan wordt
veranderd.
Figuur met dank aan Charlotte
Provost en Monica Turner
verschillend gewicht
gebruiken.
Figuur met dank aan Charlotte
Provost en Monica Turner
Als de snelheid van de knikker groot genoeg is heeft de knikker voldoende energie om aan de zwaartekracht van het zwarte gat te ontsnappen. Als de snelheid echter te laag is, is de zwaartekracht van het zwarte gat te sterk en zal de knikker niet in staat zijn om te ontsnappen.
Omdat grotere voorwerpen een grotere zwaartekracht verorzaken zul je in beide gevallen de knikker harder moeten gooien om aan de zwaartekracht van het zwarte gat te ontsnappen.
Als een zwart gat groot genoeg wordt, zullen sterren die voldoende dichtbij passeren, in haar zwaartekrachtveld gevangen worden en om het zwarte gat gaan cirkelen, net zoals de planeten in ons zonnestelsel om de zon cirkelen. Bij het observeren van de bewegingen van veel sterren kunnen astronomen op zoek gaan naar sterren die banen rond hetzelfde centrale punt hebben. Als ze een voorwerp op dit centrale punt niet kunnen zien is dit het bewijs dat er een zwart gat aanwezig zou kunnen zijn.
De handleiding van de demonstratie “Reis naar een zwart gat” op de “Inside Einstein's Universe websitew4 werd aangepast voor practicum 1. Dat practicum werd op zijn beurt geschikt gemaakt met behulp van het 'aluminiumfolie, ballonnen en zwarte gaten' practicum dat staat op “NASA's Imagine the Universe websitew1.
Een bron in de UNAWE database is geschikt gemaakt voor practicum 2 door Ricardo Moreno van “Exploring the Universe”, UNAWEw5, Spanje.
Klik hier voor het origineel van Practicum 1.
Székely P, Benedekfi Ö (2007) Fusie in het heelal: wanneer een reuzenster sterft.... Science in School 6.
Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusie in het heelal: we zijn allemaal sterrenstof. Science in School 4.
Rebusco P, Boffin H & Pierce-Price D (2007) Fusie in het heelal: de bron van alle juwelen. Science in School 5.
Rosenberg M (2012) Creating eclipses in the classroom. Science in School 23: 20-24.
Jeanjacquot P, Lilensten J (2013) Casting light on solar wind: simulating aurorae at school. Science in School 26: 32-37.