Denne kunstneriske fremstillingen viser hvordan en stjerne rives i filler når den kom for nærme et supermassivt svart hull. En akkresjonsskive formes.
Av /NASA's Goddard Space Flight Center.
Det første bildet av et svart hull. Bildet viser det supermassive svarte hullet i sentrum av galaksen M87. Glødende gass lyser opp rundt det svarte hullet. Bildet ble offentliggjort 10. april 2019, og er resultat av et internasjonalt samarbeid.
Av .
Lisens: CC BY 4.0

Et svart hull er et område i verdensrommet hvor gravitasjonskreftene er så sterke at ikke noe kan unnslippe, selv ikke lys. Det finnes to hovedtyper svarte hull; de som har omtrent like mye masse som en stjerne og de som er mer enn hundre tusen ganger mer massive og som kalles supermassive svarte hull.

Faktaboks

også kjent som:

sort hull

Svarte hull er en teoretisk konsekvens av Einsteins generelle relativitetsteori. Siden lys ikke kan slippe unna, er det umulig å ta et direkte bilde av et svart hull. Imidlertid finnes det tilstrekkelig med sikre, indirekte, tegn til at de fleste astronomer anser svarte hull som en realitet.

Fysiske egenskaper

Singularitet

Ifølge relativitetsteorien vil all massen i et svart hull være samlet i et punkt uten utstrekning med et svært sterkt gravitasjonsfelt, en såkalt singularitet.

Hendelseshorisont

Det sterke gravitasjonsfeltet rundt en singularitet blir svakere når avstanden til singulariteten øker. Ut til en viss avstand fra singulariteten er gravitasjonen så sterk at ikke noe kan unnslippe. Hvis et objekt eller en lysstråle skulle komme innenfor denne avstanden, vil det være fortapt og raskt bli trukket inn til singulariteten. Gravitasjonsfeltet like utenfor denne grensen er også sterkt, men her er det mulig å unnslippe. Denne grensen mellom hvor det er (teoretisk) mulig å unnslippe gravitasjonskreftene fra et svart hull, og hvor det er umulig å unnslippe, kalles hendelseshorisonten. Selv om all massen til det svarte hullet er konsentrert i ett punkt i sentrum, er det vanlig å si at hendelseshorisonten angir størrelsen av det svarte hullet.

Schwarzschild-radius

Med bakgrunn i generell relativitetsteori utviklet den tyske astronomen Karl Schwarschild i 1916 den første matematiske beskrivelsen av et svart hull. Den såkalte Schwarschild-løsningen av ligningene i relativitetsteorien beskriver et statisk svart hull uten elektrisk ladning eller bevegelsesmengde. Størrelsen på dette enkleste av alle svarte hull er gitt ved Schwarschild-radien, som sier at avstanden fra singulariteten ut til hendelseshorisonten er proporsjonal med massen som er samlet i singulariteten i det svarte hullet.

For et svart hull som er dannet ved kollaps av en stjerne med samme masse som Sola, som i utgangspunktet har en radius på over en halv million kilometer, er Schwarschild-radien så liten som tre kilometer.

Generell beskrivelse av svarte hull

Utover 1950- og 1960-tallet var det mange fysikere og matematikere som jobbet videre med relativitetsteorien for å beskrive mer generelle svarte hull enn det enkle til Schwarschild. Matematikeren Roy Kerr fant løsningen for et roterende svart hull, og fysikeren Ezra Newman fant løsningen for et svart hull som både roterer og har elektrisk ladning.

Svarte hull har ikke hår

Det berømte teoremet no hair theorem sier at et svart hull kan beskrives fullstendig kun med de tre fysiske egenskapene masse, elektrisk ladning og spinn. Det betyr at svarte hull ikke har noen rik struktur, slik for eksempel planeter og stjerner har. Når man sier at «svarte hull ikke har hår», er dette en metafor for denne mangelen på struktur. No hair-teoremet er ikke matematisk bevist, og er derfor strengt tatt ikke et teorem i matematisk forstand.

Hawking-stråling

Stephen Hawking har gitt flere viktige bidrag til vår forståelse av svarte hull, blant annet beskrivelsen av det vi i dag kaller Hawking-stråling.

Av /NTB Scanpix ※.

I 1974 publiserte den teoretiske fysikeren Stephen Hawking et bevis for at svarte hull likevel kan sende ut elektromagnetisk stråling, på grunn av kvantemekaniske effekter ved hendelseshorisonten. Denne strålingen, som har fått navnet Hawking-stråling, er ikke blitt observert.

Hawking-stråling vil, hvis den eksisterer, gjøre at svarte hull mister energi og får mindre masse med tiden. Dette kalles fordampning av svarte hull, fordi det vil føre til at svarte hull som ikke får tilført masse på andre måter, med tiden mister all sin masse og forsvinner. Prosessen tar imidlertid svært lang tid, selv for svarte hull som i utgangspunktet hadde masse tilsvarende kun én stjerne. Et svart hull med masse som Sola, vil bruke 10 64 år på å bli helt borte. Et mikroskopisk svart hull (se lenger ned) vil derimot fordampe i løpet av en liten brøkdel av et sekund.

Typer svarte hull

Svarte hull med stjernemasse

Et svart hull med masse tilsvarende massen til en stjerne dannes ved at et objekt, for eksempel en stor stjerne, kollapser inn i seg selv. En slik kollaps vil også forårsake at stjernen eksploderer i en supernovaeksplosjon. All massen som opprinnelig var i stjernen, og som ikke blir slynget ut i verdensrommet av eksplosjonen, blir samlet i singulariteten i sentrum av det svarte hullet. Så mye masse konsentrert på et så lite sted resulterer i et svært sterkt gravitasjonsfelt.

Supermassive svarte hull

Området i sentrum av Melkeveien der vi finner Sagittarius A* og det forskere tror er et supermassivt svart hull. Bildet er satt sammen av observasjoner gjort i infrarødstråling og røntgenstråling, og fargene er derfor kunstige. I den lille rammen ser vi røntgenstråling fra et område som er omtrent et halvt lysår bredt. Forskere regner med at røntgenstrålingen kommer fra varm gass som trekkes inn mot det supermassive svarte hullet.
Av .
Lisens: NASA-lisens

Mange observasjoner gir klare indikasjoner på at enorme svarte hull, med masse på opptil flere milliarder ganger Solens masse, finnes i de sentrale områdene av de fleste galakser. Disse kalles supermassive svarte hull. Det er også sterke indikasjoner på at et supermassivt svart hull med omtrent fire millioner ganger Solens masse finnes i midten av vår egen galakse Melkeveien. Stjernene nær Melkeveiens sentrum beveger seg så fort at det må finnes et utrolig massivt objekt innenfor et (relativt sett) veldig lite område der. Dette svarte hullet kalles Sagittarius A* og befinner seg i stjernebildet Skytten.

Vi vet ikke sikkert hvordan de supermassive svarte hullene har blitt dannet. En mulighet er at de ble dannet samtidig som galaksene de befinner seg i midten av.

Mikroskopiske svarte hull

I prinsippet kan det eksistere svarte hull som har mindre masse enn en stjerne. Denne tanken ble introdusert av Stephen Hawking i 1971.

Hvis massen til et objekt blir presset tett nok sammen til at unnslipningshastigheten til objektet blir større enn lyshastigheten, så vil objektet bli et svart hull uansett hvor mye masse det hadde i utgangspunktet. Dermed kan det i teorien også eksistere svarte hull som er så små at kvantemekaniske effekter spiller en rolle. Det er mulig at slike mikroskopiske svarte hull ble dannet like etter starten på universet. Mikroskopiske svarte hull vil fordampe nærmest umiddelbart gjennom Hawking-stråling.

Historikk

Historisk har det vært mye spekulasjoner rundt svarte hull. Allerede på 1700-tallet var det noen som så for seg svarte hull som en teoretisk mulighet i tankeeksperimenter. Etter publiseringen av Einsteins generelle relativitetsteori i 1915 ble det ført mange diskusjoner om svarte hull eksisterer i virkeligheten som fysiske objekter, eller om de bare er en teoretisk mulighet gitt av de matematiske ligningene. Mot slutten av 1960-tallet var de fleste forskere på området enige om at svarte hull faktisk kan eksistere.

Observasjonell status

På grunn av at ikke lys av med bølgelengder i noen del av det elektromagnetiske spektrum kan slippe unna et svart hull, er det umulig å se et svart hull direkte. Likevel finnes det gode indirekte indikasjoner på at svarte hull eksisterer.

Event Horizon telescope

Den 10. april 2019 publiserte forskere fra Event Horizon Telescope (EHT) det første direkte visuelle beviset på et supermassivt svart hull. EHT er et samarbeidsprosjekt mellom flere radiobølgeobservatorier spredt utover hele jordkloden.

Bildet som ble publisert av Event Horizon Telescope, er ikke et bilde av selve hullet i seg selv, men av glødende gass rundt hullet. Bildet viser det supermassive hullet i sentrum av galaksen M87. Fra observasjonene er det mulig å beregne hvor mye masse som finnes i sentrum av galaksen. For å få plass til et objekt med så mye masse som finnes her, har forskerne ingen andre kandidater enn et svart hull.

Historiske observasjoner

En kunstnerisk framstilling av dobbeltsystemet Cygnus X-1, der forskere tror at et svart hull trekker til seg materie fra en stjerne.
Av .
Lisens: NASA-lisens

Det første objektet som de fleste astronomer ble enige om at måtte være et svart hull, ble oppdaget i 1972. Objektet finnes i stjernebildet Svanen og har navnet Cygnus X-1. Det er et dobbeltstjernesystem hvor det ene objektet er en ganske vanlig stjerne mens det andre er et objekt som ikke sender ut stråling, og mest sannsynlig er et svart hull. Fra stjernen strømmer det gass over mot det svarte hullet. Før gassen forsvinner inn i det svarte hullet, blir den varmet opp så mye at den sender ut røntgenstråler. Denne strålingen kan astronomer observere fra jorden.

Gjennom beregninger, basert på observasjoner av denne røntgenstrålingen, er det mulig å beregne massen til det usynlige objektet og banehastigheten til systemet. Til sammen forteller disse beregningene at det usynlige objektet i Cygnus X-1 mest sannsynlig ikke kan være noe annet enn et svart hull.

Spagettifisering

Med et tankeeksperiment der vi tenker oss at vi sender en astronaut direkte mot et svart hull med samme masse som en stjerne, får vi bruk for begrepet spagettifisering. Hvis vi tenker oss at astronauten er på vei rett inn i det svarte hullet med hodet først, så vil gravitasjonskraften ved hodet hennes være mye sterkere enn gravitasjonskraften ved bena. Dette er fordi gravitasjonskraften varierer svært mye med avstand når man kommer i nærheten av hendelseshorisonten til et svart hull. Hodet hennes blir dratt sterkere mot det svarte hullet enn det bena blir, og denne effekten er faktisk så stor at den (tenkte) astronauten vår vil bli dratt ut til spagettiform.

Endring i gravitasjonskraft med avstand kalles ofte tidevannskrefter, og dette er de samme typer krefter som forårsaker for eksempel flo og fjære på Jorden. I nærheten av svarte hull blir effektene ekstra store på grunn av de sterke gravitasjonskreftene og den lille utstrekningen til det svarte hullet. Spagettifiseringen er størst når det svarte hullet ikke er altfor massivt. Astronauten vil kunne passere over hendelseshorisonten til et supermassivt svart hull uten å bli spagettifisert av tidevannskreftene. Imidlertid vil hun da være på vei rett mot singulariteten i sentrum, og til slutt vil tidevannskreftene bli sterke nok til at hun blir spagettifisert.

Les mer i Store norske leksikon

Eksterne lenker

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg