Begin met logisch nadenken, en wat natuurkunde:
Waarom hebben wij op de Aarde gewicht, en zijn we in de ruimte gewichtloos?
Massa's trekken elkaar aan, de Aarde en ik trekken aan elkaar met een kracht, de zwaartekracht (
klik). Die kracht noemen wij in het dagelijks taalgebruik ons gewicht.
Een raket moet om de Aarde te verlaten een minimale snelheid, de ontsnappingssnelheid (
klik) hebben. Die snelheid om de zwaartekracht van de Aarde te overwinnen is 11,2 km/s.
Als de raket trager gaat dan 11,2 km/s, valt hij weer terug naar de Aarde en gaat hij sneller dan komt hij nooit meer op de Aarde terug.
Hoe meer massa de Aarde zou hebben, hoe harder hij aan mij trekt (hoe groter mijn gewicht wordt) en hoe lastiger het wordt om de Aarde met een raket te verlaten, dus hoe hoger de ontsnappingssnelheid moet zijn. Maar ook als ik de Aarde kleiner maak maar even zwaar houd, samenpers dus, wordt het moeilijker hem met een raket te verlaten. Dat komt omdat je dan aan het oppervlak dichter bij het centrum van de zwaartekracht bent. Zou ik de Aarde twee keer zo klein maken maar wel even zwaar, dan moet de raket bijna 16 km/s gaan om de Aarde te verlaten. Maak ik de aarde 1 km in doorsnede maar houd hem nog steeds even zwaar dan zou de raket al met 1250 km/s (dat is 4,5 miljoen km per uur) moeten gaan om te kunnen ontsnappen. En pers ik alle massa van de Aarde in een bolletje van 1,8 cm (!), dan moet die raket met 300.000 km/s gaan om te kunnen ontsnappen.
Maar die snelheid kan een raket nooit bereiken, het licht wel.
Licht heeft de grootst mogelijk snelheid, bijna 300.000 km per seconde, meer dan 7 keer de Aarde rond in een tel!
Niets, helemaal niets kan sneller dan het licht (in vacuüm om precies te zijn). Dus als ik die enorm zware, maar piepkleine Aarde nog een heel klein beetje meer samenpers, dan is de ontsnappingssnelheid groter dan die van het licht. Niets, helemaal niets kan die micro Aarde meer verlaten ook licht niet. Het is een zwart gat en onzichtbaar geworden.
Ik weet niet of je de gravitatieconstante G al gehad hebt op school, zo ja, dan vind je
hier een calculator waarmee je kan spelen met verschillende massa's en stralen, alsmede de bijbehorende formules.
Nu is natuurlijk de vraag wat in 's hemelsnaam in staat is iets zo vreselijk samen te persen dat de ontsnappingssnelheid boven de lichtsnelheid komt. Een erg zware ster kan dat bereiken. Een ster wordt gedurende zijn leven in evenwicht gehouden door twee krachten: De zwaartekracht die de ster wil laten samentrekken en de kracht van de straling die de ster wil laten exploderen. Als een reuzenster geen straling meer produceert omdat de brandstof in de kern is opgebruikt, dan valt die stralingsdruk naar buiten weg en stort hij dus in onder zijn eigen zwaartekracht.
Een ster als de Zon zal dan uiteindelijk een kleine en zeer compacte ster (een witte dwerg, ongeveer zo groot als de Aarde maar met de massa van bijna de Zon) worden. Zie ook de Chandrasekhar limiet (
klik). Grotere sterren bezitten zoveel massa (en dus zwaartekracht) dat ze nog verder instorten als de stralingsdruk wegvalt; ze worden een neutronenster (
klik). Dat is een bolletje van pakweg 15 kilometer doorsnede met de massa van een paar zonnen en een ongelofelijke dichtheid. De zwaartekracht aan het oppervlak en dus de ontsnappingssnelheid is daar vreselijk groot maar nog steeds niet genoeg om ook het licht tegen te houden. De neutronenster kan je wel zien als een reusachtige atoomkern waarbij de elektronen die normaal in een wolk rond de kernen draaien in de kern geperst zijn.
Bij de allerzwaarste sterren is er geen rem meer. Als daar de stralingsdruk wegvalt stort de ster in, kleiner en dichter wordend, met een almaar groter wordende zwaartekracht (die zoals gezegd afhankelijk is van de massa én de diameter, dus eigenlijk van de dichtheid, zie die formule bij de calculator). De ster wordt tijdens de ineenstorting ongelofelijk heet, explodeert in een supernova en perst zijn buitenste lagen het heelal in. Maar tegelijk drukt die explosie ook naar binnen, waar een nog groot deel van de ster (meerdere zonnen zwaar) overbleef. De kern van de ster was al vreselijk compact, maar door die extra druk van de explosie wordt samen met het terugvallen van materie op de kern een drukgrens overschreden, de zogenaamde Oppenheimer-Volkoff limiet (
klik). Er is geen natuurkracht bekend die boven die grens nog weerstand kan bieden tegen de onvoorstelbare druk. Niets houdt het instorten meer tegen en de ster wordt zo compact dat de ontsnappingssnelheid groter wordt dan die van het licht; een black hole is geboren.
Een wat ingewikkelder gevolg is, dat het zwarte gat eigenlijk een gesloten stukje ruimtetijd wordt. Einstein voorzag dat al in zijn algemene relativiteitstheorie. Eenvoudig gesteld vervormt massa ruimte. Een heel zware massa kan de ruimte sterk vervormen/krommen, en een zwart gat vervormt de ruimtetijd zo vreselijk sterk dat ze als een bol rond het piepkleine puntje in het midden (dat eens die enorme ster was) kromt en helemaal sluit. Er wordt een eigen ruimtetijd gevormd, die 'losgescheurd' is van de ruimtetijd in ons heelal. Hoe er het binnen die gesloten bol (het oppervlak daarvan noemen wij de Schwartzschild oppervlak
klik) uitziet weet niemand, er komt immers niets uit het zwarte gat, dus ook geen informatie (op een nu niet belangrijk detail na). De ster verdwijnt voor ons achter een 'waarnemingshorizon' (
klik) we zullen er niets meer van vernemen.
Zoek in Wikipedia eens goed door naar de termen die ik hier genoemd heb, en je zal nog veel meer informatie vinden voor je werkstuk. Heb je vragen dan horen we ze graag.
