Het wetenskaplikes werklik gravitasie- kolke gevind?

DIT klink na wetenskapsfiksie—eens helder sterre wat onsigbaar word en deur hulle eie swaartekrag saamgepers word, met niks, nie eens lig, wat daaruit kan ontsnap nie. Baie sterrekundiges meen dat sulke gravitasiekolke ’n algemene verskynsel in die heelal kan wees. Wil jy graag meer van hulle weet? Die verhaal begin in die pragtige noordelike sterrebeeld wat Cygnus genoem word en “die Swaan” beteken.

Cygnus X-1—’n Gravitasiekolk?

Sedert die sestigerjare al stel sterrekundiges belang in ’n sekere gebied van die sterrebeeld Cygnus. Sterrewagte wat in wentelbane buite die Aarde se atmosfeer geplaas is, het ’n sterk bron van x-strale ontdek wat van hierdie gebied af kom, en dit is toe Cygnus X-1 genoem.

Wetenskaplikes weet al lank dat hoe warmer ’n voorwerp is, hoe meer energie straal dit uit teen korter, energetieser elektromagnetiese golflengtes. As jy ’n stuk yster in ’n baie warm oond verhit, sal dit eers rooi gloei en dan geel en wit namate die yster warmer word. In daardie sin is sterre soos ysterstawe. Betreklike koel sterre, van ongeveer 3000 K, is ’n rooierige kleur, terwyl ’n geelster, soos die Son, ’n oppervlaktemperatuur nader aan 6000 K het.a Maar stergas sal tot miljoene kelvin verhit moet word om die uitstraling van x-strale te kry wat van Cygnus X-1 af kom. Geen ster het so ’n hoë oppervlaktemperatuur nie.

Sterrekundiges het ’n ster in die omgewing van Cygnus X-1 gevind met ’n oppervlaktemperatuur wat op 30 000 K geskat word—inderdaad baie warm, maar nie naastenby warm genoeg om die x-strale te verklaar nie. Hierdie ster, wat as HDE 226868 op die sterrekatalogus aangegee word, is volgens skatting ongeveer 30 keer swaarder as die Son en 6000 ligjare van die Aarde af. Hierdie superreus het ’n metgesel, en die twee draai elke 5,6 dae om mekaar in ’n wentelende wals. Wetenskaplikes bereken dat die metgesel net ’n paar miljoen kilometer van HDE 226868 af is. Volgens sommige bronne is hierdie metgesel ongeveer tien keer swaarder as die Son. Maar daar is iets baie vreemds omtrent hierdie metgesel—hy is onsigbaar. Geen normale ster wat so groot is, behoort op hierdie afstand van die Aarde af onsigbaar te wees nie. ’n Voorwerp wat so groot is en lyk asof dit x-strale uitstraal, maar nie sigbare lig nie, is heel moontlik ’n gravitasiekolk, sê wetenskaplikes.

’n Reis na ’n gravitasiekolk

Stel jou voor dat jy na Cygnus X-1 kon reis. Veronderstel dat dit wel ’n gravitasiekolk is, dan sal jy heel waarskynlik iets sien wat soos die prent op bladsy 17 lyk. Die groot ster is HDE 226868. Hoewel hierdie ster ’n deursnee van miljoene kilometers het, het die gravitasiekolk dalk maar ’n deursnee van ongeveer 60 kilometer. Die klein swart kolletjie in die middel van die maalstroom van gloeiende gas is die gebeurtenishorison, of oppervlak, van die gravitasiekolk. Dit is egter nie ’n soliede oppervlak nie, maar meer soos ’n skaduwee. Dit is die rand van die streek waarin die swaartekrag rondom die gravitasiekolk so sterk is dat nie eens lig kan ontsnap nie. Baie wetenskaplikes dink dat daar binne-in die horison, in die middel van die gravitasiekolk, ’n punt van zerovolume en oneindige digtheid bestaan, wat as singulariteit bekend staan, waarin al die materie in die gravitasiekolk verdwyn het.

Die gravitasiekolk is besig om die buitenste gaslae van die geselster in te trek. Die gas van die ster vorm ’n gloeiende pannekoek namate die gas al hoe vinniger wentel en verhit word deur wrywing rondom die gravitasiekolk. Terwyl die gas deur die intense swaartekrag tot ongelooflike snelhede versnel word, stel hierdie skyf van superverhitte gas net buite die gravitasiekolk x-strale vry. Wanneer die gas in die gravitasiekolk val, kan geen x-strale—of enigiets anders—natuurlik meer ontsnap nie.

Cygnus X-1 is ’n skouspelagtige gesig, maar moet dit nie te naby waag nie! Dit is nie net die x-strale wat dodelik is nie, maar ook die swaartekrag. Op die Aarde bestaan daar ’n geringe verskil in die swaartekrag wat op jou kop en jou voete uitgeoefen word terwyl jy staan. Hierdie verskil veroorsaak ’n geringe trekkrag wat jy nie kan voel nie. Maar by Cygnus X-1 word daardie klein verskil 150 miljard keer vergroot, en dit skep ’n krag wat jou liggaam in werklikheid sal rek, asof onsigbare hande jou voete in een rigting en jou kop in ’n ander rigting trek!

Cygnus A—Is dit ’n supergroot gravitasiekolk?

Daar is ’n ander raaiselagtige gebied in die Cygnussterrebeeld. As ’n mens daarna kyk, lyk hierdie gebied maar soos die spikkeltjie van ’n verafgeleë sterrestelsel, maar dit straal van die sterkste radiogolwe in die hemelruim uit. Dit word Cygnus A genoem, en vandat dit meer as 50 jaar gelede ontdek is, is dit vir wetenskaplikes ’n raaisel.

Dit gaan jou verstand te bowe as jy jou die skaal van Cygnus A probeer voorstel. Terwyl Cygnus X-1 in ons eie sterrestelsel is, ’n paar duisend ligjare ver, is Cygnus A volgens mening honderdmiljoene ligjare ver. Hoewel Cygnus X-1 en sy sigbare metgesel net omtrent een ligminuut uitmekaar is, is die kolomme wat deur die twee radiospuitstrale in Cygnus A gevorm word honderdduisende ligjare uitmekaar.b Iets in die middel van Cygnus A het klaarblyklik al honderdduisende of selfs miljoene jare lank hierdie intense energiestrale in teenoorgestelde rigtings uitgestraal, soos ’n soort kosmiese straalgeweer. Gedetailleerde radiokaarte van die middel van Cygnus A toon dat die straalgeweer in vergelyking met die energiestrale maar klein is, minder as ’n ligmaand groot. As dit gedurende hierdie tydperk enigsins beweeg het, sou die strale krom gewees het. Maar die raaiselagtige spuitstrale is pylreguit, asof die straalgeweer wat dit uitstraal deur ’n yslike giroskoop gestabiliseer is.

Wat kan moontlik hier aan die gang wees? “Van die dosyne teorieë wat teen die vroeë tagtigerjare voorgestel is om die sentrale kragbron te verklaar”, skryf professor Kip S. Thorne, “het net een verwys na ’n uitstekende, duursame giroskoop, kleiner as ’n ligmaand en met ’n vermoë om sterk spuitstrale op te wek. Daardie unieke teorie was ’n reusagtige, wentelende gravitasiekolk.”

Ander moontlike gravitasiekolke

In 1994 het die pas herstelde Hubble-ruimteteleskoop die “nabygeleë” sterrestelsel M87, wat volgens skatting 50 miljoen ligjare ver is, van naderby beskou. Met sy herstelde optiese instrumente het Hubble ’n maalstroom van gas in die middel van M87 ontdek wat teen ’n verbysterende tweemiljoen kilometer per uur om die een of ander voorwerp gemaal het. Wat kon die gas só vinnig laat beweeg? Berekenings toon dat die voorwerp binne-in die maalstroom die gewig van ten minste tweemiljard Sonne moet hê. Maar daardie voorwerp is in ’n “piepklein” ruimte ingedruk wat so groot soos ons sonnestelsel is. Die enigste ding waaraan wetenskaplikes kan dink wat moontlik aan hierdie beskrywing voldoen, is ’n supergroot gravitasiekolk.

Moontlike gravitasiekolke is nou al in die middel van ’n aantal nabygeleë sterrestelsels opgemerk, waaronder ons “buurman”, die Andromedasterrestelsel, wat net ongeveer tweemiljoen ligjare ver is. Maar daar is dalk ’n reusegravitasiekolk wat selfs nader aan ons is as Andromeda! Onlangse waarnemings dui daarop dat daar moontlik ’n groot gravitasiekolk in die middel van ons eie sterrestelsel, die Melkweg, kan wees. Iets in ’n klein gebied, met ’n geraamde gewig van 2,4 miljoen Sonne, laat die sterre naby aan die middel van ons sterrestelsel teen geweldige snelhede daaromheen wentel. Fisikus Thorne sê: “Bewyse wat gaandeweg gedurende die tagtigerjare ingewin is, dui daarop dat sulke kolke nie net in die kerne van die meeste kwasars en radiosterrestelsels voorkom nie, maar ook in die kerne van die meeste groot, normale (nieradio-) sterrestelsels soos die Melkweg en Andromeda.”

Het wetenskaplikes werklik gravitasiekolke ontdek? Moontlik. Hulle het beslis ’n paar baie vreemde voorwerpe in die sterrebeeld Cygnus en elders ontdek wat op die oomblik baie maklik as gravitasiekolke verklaar kan word. Maar nuwe gegewens kan ook daartoe lei dat algemeen aanvaarde teorieë bevraagteken word.

Meer as 3500 jaar gelede het God vir Job gevra: “Ken jy die wette van die hemel?” (Job 38:33). Ten spyte van indrukwekkende wetenskaplike vooruitgang, is daardie vraag steeds gepas. Per slot van rekening, net sodra die mens begin dink hy verstaan die heelal dan duik die een of ander nuwe, onverwagse waarneming op wat sy sorvuldig geformuleerde teorieë omverwerp. Ons kan intussen met verwondering na die sterrebeelde kyk en ons verlustig in hulle prag!

[Voetnote]

[Venster op bladsy 16, 17]

Hoe ontstaan ’n gravitasiekolk?

DIE huidige wetenskaplike begrip is dat sterre skyn weens ’n nimmereindigende stryd tussen swaartekrag en kernkragte. Sonder swaartekrag om die gas diep binne-in die ster vas te druk, sou kernversmelting nie kon plaasvind nie. Aan die ander kant sou ’n paar baie eienaardige dinge met sterre kon gebeur sonder kernversmelting om die swaartekrag teë te staan.

Wanneer sterre wat ongeveer so groot soos ons son is hulle kernbrandstof van waterstof en helium opgebruik, meen wetenskaplikes dat hulle deur swaartekrag inmekaar gedruk word tot ’n bal warm as omtrent so groot soos die aarde, wat dan witdwerge genoem word. ’n Witdwerg kan so swaar wees soos die son, maar kan ’n ruimte beslaan wat ’n miljoen keer kleiner is.

Jy kan aan gewone materie dink as grotendeels ’n leë ruimte, met byna die hele massa van elke atoom wat in ’n baie klein kern voorkom wat deur ’n veel groter elektronwolk omring word. Maar binne-in ’n witdwerg druk swaartekrag die elektronwolk inmekaar tot net ’n breukdeel van sy vorige volume, wat die ster tot die grootte van ’n planeet laat krimp. In sterre wat ongeveer so groot soos ons son is, is daar op hierdie tydstip ’n teenwerkende effek tussen die swaartekrag en die kragte wat die elektrone uitoefen om enige verdere samepersing te verhoed.

Maar wat van sterre wat swaarder as die son is, met groter swaartekrag? In sterre wat meer as 1,4 keer swaarder as die son is, is die swaartekrag so groot dat die elektronwolk heeltemal deur die druk uitgewis word. Die protone en elektrone verbind dan om neutrone te vorm. Die neutrone weerstaan verdere druk, mits die swaartekrag nie te sterk is nie. In plaas van ’n witdwerg wat so groot soos ’n planeet is, vorm daar dan ’n neutronster wat so groot soos ’n klein asteroïed is. Neutronsterre bestaan uit die digste materiaal wat in die heelal bekend is.

Maar wat gebeur as die swaartekrag verder toeneem? Wetenskaplikes meen dat die swaartekrag in sterre wat ongeveer drie keer swaarder as die son is te sterk vir die neutrone is om weerstand te bied. Geen materie wat aan fisici bekend is, kan die kumulatiewe krag van al hierdie swaartekrag weerstaan nie. Dit lyk of die bal neutrone wat so groot soos ’n asteroïed is nie net tot ’n kleiner bal gedruk sal word nie, maar tot niks, tot ’n punt wat singulariteit genoem word of tot die een of ander teoretiese entiteit wat op die oomblik nog nie omskryf is nie. Die ster sal klaarblyklik verdwyn en net sy swaartekrag en ’n gravitasiekolk in sy plek agterlaat. Die gravitasiekolk sal ’n gravitasieskaduwee in die plek van die eertydse ster vorm. Dit sal ’n streek wees waar die swaartekrag so sterk is dat niks kan ontsnap nie—nie eens lig nie.

[Prente op bladsy 16]

Die Cygnussterrebeeld bevat, onder andere die Noord-Amerikaanse newel (1) en die Sluiernewel (2). Cygnus X-1 (3) is ’n entjie teen die swaan se nek af geleë

Cygnus (die Swaan)

[Erkenning]

Tony en Daphne Hallas/Astro Photo

Tony en Daphne Hallas/Astro Photo

[Prente op bladsy 17]

Cygnus X-1 in teorie

Gravitasiekolke word uitgeken aan die uitwerking wat hulle op ander liggame het. Hierdie prent toon gasse van ’n ster wat in ’n gravitasiekolk ingetrek word

Kunstenaarsvoorstelling van ’n gravitasiekolk (binne-in die rooi reghoek), en vergroting (onder)

[Foto-erkenning op bladsy 14]

Einstein: Foto van U.S. National Archives