Hva er egentlig et svart hull?

Wikipedia: beregnet illustrasjon

Astronomene forteller ofte at de har observert virkninger av svarte hull («sorte hull» for dere som sier sort om fargen svart), og i 2019 ble et svart hull fotografert for første gang, et bilde som allerede har blitt kåret til tiårets forskningsbilde. Se mer om det til slutt i artikkelen.

For å forstå hva svarte hull er må man først vite litt om gravitasjon, som i dagligtalen kalles tyngdekraft. Det er tyngdekraften som holder oss nede på jorda og det er jordas tyngdekraft som må overvinnes hvis vi skal sende romskip eller sonder ut til andre planeter eller til månen. Det er også hele jordas tyngdekraft vi overvinner når vi løfter en kopp kaffe, en handlepose eller noe annet. Tyngdekraften er faktisk den svakeste av de kjente naturkreftene, men jorda er jo ganske diger, så derfor merker vi godt dens samlede tyngdekraft.

Hvis du veier 90 kg her på jorda, så vil du veie ca. 15 kg på månen, for der er tyngdekraften svakere enn på jorda. Månens gravitasjon er 1/6 av jordas gravitasjon. Så selv med en tung romdrakt kunne de tolv astronautene som landet på månen i årene 1969–1972 hoppe rundt som kenguruer, selv om de egentlig ikke hadde lov til det. Hvis de hadde ramlet ville de nemlig hatt store problemer med å reise seg, for Apollo-romdraktene hadde sterkt begrenset bevegelighet.

På gigantplaneten Jupiter er gravitasjonen 2,5 ganger sterkere enn på jorda. En person som veier 90 kg på jorda ville altså veid 225 kg på Jupiter. Det kan virke rart at tyngdekraften ikke er enda mye sterkere på Jupiter, for Jupiter er 318 ganger tyngre enn jorda, men Jupiter er et gassplanet, den har ingen fast overflate. Det vi ser som overflate på Jupiter er toppen av skylaget, og den berømte røde flekken er en tornado som har rast i flere århundrer.

Det finnes objekter ute i universet, laaangt utenfor solsystemet, som er så massive at 1 cm³ (kubikkcentimeter), altså noe på størrelsen med en sukkerbit, veier ca 1 milliard tonn. Disse objektene kalles nøytronstjerner. De er rester etter døde normale stjerner som var litt større enn sola. I nøytronstjerner overvinner tyngdekraften kreftene som holder elektronene i avstand til atomkjernene. Når elektronene presses inn i atomkjernene så blir protonene til nøytroner, derav navnet nøytronstjerner.

Når enda større stjerner dør, så kan de ende opp som svarte hull. I svarte hull presses selv atomkjernene inn i hverandre og i følge én teori oppstår det et lite punkt med nærmest uendelig massetetthet i midten av det svarte hullet, en såkalt singularitet, der all massen i hullet er samlet.

I følge en nyere teori omdannes massen (atomene) i dette punktet til ren gravitasjonsenergi. I følge denne terien finnes det altså intet objekt med en overflate der inne, kun et veldig konsentrert tyngdekraftfelt. Denne siste teorien, selv om den kanskje høres enda mer absurd ut, stemmer faktisk bedre med Albert Einsteins berømte energiligning E=mc² enn den førstnevnte teorien.

Dessverre kan vi aldri få svar på hvilken av de to teoriene som er mest riktig, for det er umulig å se inn til kjernen i det svarte hullet. Hold dere fast, for nå kommer vi til det mest ubegripelige med svarte hull, nemlig til det fenomenet som har gitt de sitt navn.

Tyngdekraften i det svarte hullet er nemlig så ufattelig sterk at alt som kommer innenfor en viss avstand fra hullet blir sugd inn. Selv det letteste som finnes, lys, blir sugd inn. Og alt som blir fanget innenfor denne avstanden kan aldri slippe ut igjen, heller ikke lyset (vi ser bort fra Hawking-stråling i denne artikkelen). Denne avstanden kalles det svarte hullets begivenhetshorisont. Og det er denne begivenhetshorisonten som har gitt denne typen objekter navnet svarte hull. Denne begivenhetshorisonten er ikke en overflate, bare en grense i rommet. Alt som er innenfor denne grensen er usynlig fra utsiden, derfor oppfattes dette området som svart.

Wikipedia: simulert illustrasjon

Vi kan altså ikke se selve objektet inne i det svarte hullet, men det er mulig å se virkningene av begivenhetshorisonten. Vi kan se det fordi begivenhetshorisonten vil skygge for bakenforliggende objekter, og vi kan se den fordi lys bøyes rundt begivenhetshorisonten. Dette kalles en gravitasjonslinse. Vi vil derfor se en lysende ring av lys rundt begiventhetshorisonten, lyskildene til denne lysringen kan både ligge bak og foran det svarte hullet. I illustrajonen til høyre passerer et svart hull foran en fjern galakse. Vi ser hvordan gravitasjonslinseeffekten bøyer lyset i området rundt det svarte hullet.

I tillegg kan vi ofte observere ei skive med rester av stjerner og andre objekter som sirkulerer raskere og raskere rundt det svarte hullet, de siste rundene før dette stoffet forsvinner inn gjennom begivenhetshorisonten. Når dette stoffet rives fra hverandre på grunn av den kraftige tyngdekraften, så sendes det bl.a ut mye lys i røntgenområdet, ekstremt kortbølget og energirikt lys. Denne ringen med roterende stoff kalles en akkresjonsskive.

Vanlige svarte hull på noen få solmasser er imidlertid ikke spesielt enkle å se, for selv om de høres voldsomme ut, så vil begivenhetshorisonten for et svart hull på 10 solmasser ha en diameter på bare 60 km. Hadde sola vært byttet med et sånt svart hull så ville det ikke vært synlig fra jorda, selv ikke i de kraftigste kikkertene vi har. Et sånt lite objekt ute i universet er derfor usynlig i vanlige kikkerter. Et virkelig detaljstudium av et svart hull vil kreve at man reiser dit og observerer det på trygg avstand. Det nærmeste vi vet om, A0620-00, er ca. 3000 lysår unna, altfor langt unna til at det er noe poeng å sende en undersøkelsessonde dit (ett lysår er avstanden lys tilbakelegger på ett år). Men ved hjelp av beregninger vet vi ganske godt hvordan det ville sett ut.

Ved hjelp av målinger i røntgenområdet vet forskerne at det er et såkalt supermassivt svart hull i Melkeveiens sentrum, ca. 26 000 lysår unna. Dette objektet kalles Sagittarius A*. Det antas at svært mange av universets galakser har tilsvarende supermassive svarte hull i sentrum, disse kan typisk være på flere millioner solmasser, Sagittarius A* er på ca. 4 millioner solmasser. Begivenhetshorisonten for Sagittarius A* er på 22 millioner km. Solas diameter er til sammenligning 1 392 700 km. Diameteren på jordbanen er ca. 290 millioner km.

Selv om dette svarte hullet i Melkeveiens sentrum ikke er synlig direkte, på grunn av stjerner, planeter, gass og støv som skygger for, så kan vi måle røntgenstrålingen derfra hver gang noe blir sugd inn, så vi vet det er der. Vi mottar også radiobølgestråling fra stjerner som går i baner rundt Sagittarius A*, og utfra banehastigheten til disse kan vi beregne det svarte hullets masse.

Verdens første fotografi av et svart hull

Det berømte bildet av det svarte hullet i den fjerne galaksen Messier 87, som ble presentert 10. april 2019, er fotografert nettopp i røntgenområdet. Det er uskarpt, for avstanden til det svarte hullet er stor, men vi ser likevel tydelig lysringen rundt det svarte hullet. Nederst er lysringen litt kraftigere og tykkere og det kan skyldes at vi kanskje ser akkresjonskiven. Det beste med bildet er at det stemmer med hvordan astronomenes beregninger forutsa at det ville se ut. Dette tyder på at astronomenes matematiske modeller av hvordan svarte hull burde se ut stemmer godt med virkeligheten.


Les mer:
Wikipedia om Sagittarius A* (engelsk)
Wikipedia om svarte hull (engelsk)
De nærmeste svarte hullene i Melkeveien (engelsk)
Et nyoppdaget svart hull er "bare" 1000 lysår unna (forskning.no)