Hvad er et sort hul?

Et sort hul er et område i rummet, hvor en stor masse er presset sammen, så den ingenting fylder. Det gør, at tyngdekraften er så stærk, at selv lyset med dets hastighed på næsten 300.000 km/sekund ikke kan slippe væk. Sorte huller kan altså ikke udsende lys. Men alligevel kan astronomerne godt finde dem ude i rummet og undersøge dem. Man kan nemlig observere, hvordan stjerner og gas opfører sig i nærheden af sorte huller, fordi de påvirkes af hullets tyngdekraft.

Sådan opstår sorte huller

Sorte huller kan opstå, når en stjerne dør og ender sit liv i en gigantisk eksplosion – en supernova. Her kollapser stjernens kerne, og den bliver presset sammen til ingenting samtidig med, at den stadig er meget tung. Kernen er nu blevet til et sort hul. Et sort hul kan også opstå, hvis to døde stjerner – såkaldte neutronstjerner – kredser om hinanden og til sidst smelter sammen i en voldsom proces. (Video: NASA).

Man kan observere sorte huller

Man kan blandt andet observere sorte huller i det, man kalder et dobbeltstjerne-system. I sådan et system kredser to stjerner om hinanden. Her kan der ske det, at den ene stjerne dør og bliver til et sort hul. Nogle gange kan det sorte hul med sin tyngdekraft trække gas ud af den anden stjerne. Denne gas lægger sig som en roterende skive om det sorte hul, hvorfra gassen gradvist falder ind i hullet. Den roterende skive af gas bliver så ekstremt varm, at den udsender røntgenstråling. Denne stråling kan opfanges af særlige røntgenteleskoper i rummet. Astronomer bruger denne information til at lære mere om de sorte huller og hvordan de påvirker deres omgivelser.

Der er sorte huller i midten af de fleste galakser

Sorte huller i dobbeltstjerne-systemer er typisk 3 til 20 gange tungere end Solen. Men der findes også sorte huller, der er flere millioner eller milliarder gange tungere end Solen. Disse befinder sig i centrum af de fleste galakser, også i vores egen galakse, Mælkevejen.

SORT HUL ÆDER STJERNE. Billedet viser, hvordan et sort hul kan ”sluge” gassen fra en nabo-stjerne. Gassen bliver først slynget rundt om det sorte hul og til sidst bliver det opslugt. I det sorte hul er temperaturen så høj, at gasserne udsender røntgenstråler. Sorte huller er blandt andet blevet observeret ved hjælp af data fra NASA’s rumobservatorium, NASA’s Swift satellit og ESA’s rumfartøj XMM-Newton. (Illustration: ESA).
SORT HUL. Illustrationen viser et sort hul, der hedder Cygnus X-1. Det opstod, da en stor stjerne kollapsede. Det sorte hul trækker gas fra den blå stjerne ved siden af. Gassen lægger sig i en roterende skive om det sorte hul, hvorfra den falder ind i hullet. Skiven bliver meget varm og udsender energirig røntgenstråling (Illustration: NASA/CXC/M.Weiss).

Historien om de sorte huller

Det er ikke en ny tanke, at en stjerne kan være så tung, men samtidig så kompakt, at dens tyngdekraft vil forhindre lyset i at slippe væk. Både englænderen John Mitchell og franskmanden Pierre-Simon Laplace tænkte denne tanke i hhv. 1783 og 1795. Ingen kunne dog komme med et bud på, hvordan et så kompakt objekt kunne opstå.

Det var først i 1939, at de to amerikanske fysikere, Robert Oppenheimer og Hartland Snyder, kom med deres idé om at et sådant ultrakompakt objekt kunne blive dannet af en meget tung stjerne, der havde tilstrækkelig stærk tyngdekraft til at få stjernens indre til at kollapse. De kaldte derfor objektet for en ’kollapsar’. Men der skulle gå mange år inden denne idé blev udviklet til den viden vi har i dag – at en tung stjernes død i en supernovaeksplosion kan skabe et objekt, der så tungt og kompakt, at lyset ikke kan slippe væk. Navnet ”sort hul” blev introduceret af den amerikanske fysiker John Wheeler i 1968.

Det var dog først i 1971, at astronomer første gang opdagede et sort hul. Det skete ved hjælp af røntgensatellitten Uhuru. Den målte røntgenstråling fra et dobbeltstjerne-system, hvor to stjerner kredser om hinanden. Det viste sig, at den ene stjerne er usynlig, men til gengæld skaber kraftig røntgenstråling, fordi den opsluger gas fra sin stjerne-makker. Systemet blev døbt ”Cygnus X-1”. Siden dengang er mange sorte huller blevet opdaget.

Jorden i en sukkerknald

Selvom et sort hul ingenting fylder, taler astronomerne alligevel om et sort huls størrelse. Det kalder man for det sorte huls begivenhedshorisont eller Schwarzschild-radius. Det er den afstand fra det sorte hul, hvor lyset netop kan slippe væk fra hullet. Alt, hvad der foregår bag et sort huls begivenhedshorisont, kan vi ikke se. Nøglen til en dybere forståelse af tyngdekraften ligger formentlig bag denne barriere. Schwarzschild-radius er opkaldt efter den tyske astronom og fysiker Karl Schwarzschild, der i 1915 brugte Einsteins generelle relativitetsteori til at nå frem til, at et tilstrækkeligt kompakt objekt vil have en sådan barriere.

Et sort hul, der er ti gange tungere end Solen, har en Schwarzschild-radius på kun ca. 30 kilometer. Hvis Jorden var et sort hul, ville dens begivenhedshorisont ikke fyldte mere end en sukkerknald.

Det er dog vigtigt at huske, at sorte huller ikke har stærkere tyngdekraft end almindelige objekter, der er lige så tunge. Hvis vi kunne erstatte Solen med et sort hul, der er nøjagtig lige så tungt som vores stjerne, ville planeterne fortsætte uforandret i deres baner.

Videoen viser, hvordan en stjerne bliver revet i stykker af et sort hul. Noget af stjernens materiale bliver kastet ud med høj hastighed, mens resten falder ind mod det sorte hul. (Video: NASA/Goddard).

SORT MONSTERHUL. Forskere mener, at der i alle store galakser findes et supermassivt sort hul. Det gælder også vores egen galakse Mælkevejen. Nogle af disse enorme sorte huller har en masse på millioner eller måske milliarder gange Solens masse. De er sandsynligvis opstået mindre end en milliard år efter big bang. Billedet er dannet ud fra data fra NASA’s Chandra teleskop, Rumteleskopet Hubble og Spitzer rumteleskop. (Illustration: NASA/CXC/M. Weiss).

Mælkevejens sorte monster

I Mælkevejens centrum er der et objekt, der er ca. fire millioner gange tungere end Solen, der er samlet i et lille område. Det eneste, der kan have så stor masse og samtidig være så kompakt, er et sort hul.

Uanset hvor tungt et sort hul er, så kan en stjerne sagtens kredse om hullet på samme måde, som planeterne i Solsystemet kredser om Solen. Stjernen skal bare ikke for tæt på det sorte hul, for så vil den blive flået i stykker af tidevandskræfter (forskel i tyngdekraft). Det er faktisk ved at følge stjerner i kredsløb om Mælkevejens centrum, at astronomer ved det Europiske Syd Observatorium (ESO) i Chile er kommet frem til, at der ligger et sort hul midt i vores galakse og har fundet ud af, hvor tungt det er.

 

 

Gravitationsbølger

Allerede for 100 år siden forudsagde Albert Einstein, at der må findes gravitationsbølger. Ifølge relativitetsteorien er tiden og de tre rumlige retninger, længde, højde og bredde, koblet i en fire-dimensional geometri, som vi kalder for rumtiden. Gravitationsbølger er forstyrrelser i denne rumtid.

Gravitationsbølger opstår, når masser accelererer i forhold til hinanden. Det kan ske, når sorte huller kolliderer. Det kan også ske, når neutronstjerner, som er rester fra supernovaer, støder sammen og eksploderer. Ind til for nylig har vi ikke været i stand til at opfange disse bølger. Det kræver nemlig en enorm præcision, hvor man kan måle bitte små forskydninger, som gravitationsbølgerne skaber. Sådan et udstyr fangede for første gang gravitationsbølger i 2015. Udstyret måler afstande med laserteknologi. Det kaldes LIGO, som er en forkortelse for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, og som står på jorden i USA. Det kan måle forskydninger, der svarer til en milliardtedel af en milliardtedel af en meter.

Udover LIGO er der også et gravitationsbølge observatorium i Italien, som hedder Virgo. Den direkte måling af gravitationsbølger er en af det 21. århundredes store opdagelser. (Animation: LIGO/T. Pyle).

 

Resterne af supernovaen 1987a, som findes i galaksen, den store magellanske sky, omkring 165.000 lysår fra Jorden. (Foto: NASA/NOEL CARBONI & THE ESA/ESO/NASA PHOTOSHOP FITS LIBERATOR).

Nyt vindue til universet

Gravitationsbølger åbner et tredje vindue til universet. Før vi kunne registrere gravitationsbølger, var vores viden om universet baseret på måling af lys og partikelstråling. Men det styrker vores forståelse af fænomener, hvis vi kan undersøge dem med forskelligt måleudstyr samtidigt.

Et eksempel var, da man i 2017 registrerede et gravitationsbølgesignal fra kollisionen af to neutronstjerner omkring 130 mio. lysår væk. Og kun to sekunder senere fangede man et tydeligt elektromagnetisk signal i form af gammastråler, som også var et tegn på neutronstjernekollisionen. Man observerede altså det samme fænomen på to forskellige måder: ud fra både lys og gravitationsbølger. Det var det første såkaldte multi-messenger signal, hvor gravitationsbølger supplerede en anden måling i universet – og omvendt. Netop det at kunne observere et fænomen med forskellige typer målinger kan udvide vores fremtidige forståelse af universet og kvalificere vores undersøgelser.