12. juli 2021

Dansk studerende løser hvordan lyset reflekteres nær sorte huller

Astrofysik

Omkring sorte huller krummer rummet så meget, at selv lysstråler kan flyve rundt om dem, endda flere gange. Dette fænomen kan gøre, at man tæt på et sort hul kan se flere versioner af den samme ting. Det har man vidst længe, men først nu har vi en præcis, matematisk formulering, takket være Albert Sneppen, studerende ved Niels Bohr Institutet. Resultatet, som oven i købet er mere brugbart i virkelighedens sorte huller, er netop accepteret til publikation i tidsskriftet Scientific Reports.

Illustration af sort hul
En skive af glødende gas hvirvler ned i det sorte hul "Gargantua" fra filmen Interstellar. Fordi rummet krummer omkring det sorte hul, kan man se om på dets bagside og se den del af gasskiven, som ellers ville være skjult af hullet. Denne mekanisme har den danske kandidatstuderende ved NBI, Albert Sneppen, nu gjort os klogere på (kredit: interstellar.wiki/CC BY-NC License).

Sorte huller har du nok hørt om — de forunderlige klumper af tyngdekraft, hvorfra ikke engang lys kan undslippe. Måske har du også hørt, at selve rummet og endda tiden opfører sig underligt i nærheden af sorte huller; rummet krummer.

Tæt på et sort hul krummer rummet så meget, at lysstråler afbøjes, og rigtig tæt på kan lyset afbøjes så meget, at det rejser flere gange rundt om det sorte hul. Når vi betragter en fjern, bagvedliggende galakse (eller et andet himmellegeme), kan vi derfor være heldige at se det samme billede af galaksen flere gange, omend mere og mere forvrænget.

Galakser i flere versioner

På figuren her ses mekanismen: Den fjerne galakse lyser i alle retninger — noget af dens lys kommer i nærheden af det sorte hul og afbøjes let; noget lys kommer endnu tættere på og flyver rundt om hullet en enkelt gang, før det slipper ned til os, og så videre. Når vi kigger i nærheden af det sorte hul, ser vi flere og flere versioner af samme galakse, jo tættere på kanten af hullet vi kigger.

Lyset fra den bagvedliggende galakse snurrer rundt om et sort hul flere og flere gange, jo tættere det passerer hullet, og vi ser derfor den samme galakse i flere retninger (kredit: Peter Laursen).

Lyset fra den bagvedliggende galakse snurrer rundt om et sort hul flere og flere gange, jo tættere det passerer hullet, og vi ser derfor den samme galakse i flere retninger (Illustration: Peter Laursen).

Hvor meget tættere på det sort hul skal man kigge fra ét billede, for at se det næste billede? Resultatet har været kendt I over 40 år, og er godt og vel 500 gange (for matematik-aficionadoerne er det mere nøjagtigt "eksponential-funktionen af to pi", skrevet e2π)

At regne dette ud er så kompliceret, at man indtil for nylig ikke havde udviklet en matematisk og fysisk intution for, hvorfor det lige er denne faktor. Men ved nogle kløgtige, matematiske tricks er det nu lykkedes kandidatstuderende Albert Sneppen fra grundforskningscentret Cosmic Dawn Center, som hører under både Niels Bohr Institutet og DTU Space, at bevise hvorfor.

Der er noget fantastisk smukt i nu at forstå, hvorfor billederne gentager sig på en så elegant måde. Oven i købet giver det nye muligheder for at teste vores forståelse af tyngdekraft og sorte huller”, uddyber Albert Sneppen.

At kunne bevise noget matematisk er ikke bare tilfredstillende i sig selv, men bringer os tættere på en forståelse af dette forunderlige fænomen. Faktoren "500" følger direkte af, hvordan sorte huller og tyngdekraft fungerer, så billedernes gentagelser bliver nu en måde at undersøge og teste tyngdekraft.

Roterende sorte huller

Som noget helt nyt kan Sneppens metode desuden generaliseres til ikke bare at gælde "trivielle" sorte huller, men også for sorte huller, som roterer. Og det gør de faktisk allesammen. 

Her ses situationen "forfra", altså som vi rent faktisk ville observere det her fra Jorden. De ekstra billeder af galaksen bliver mere og mere mast sammen, jo tættere vi kigger på det sorte hul (kredit: Peter Laursen).

Her ses situationen "forfra", altså som vi rent faktisk ville observere det her fra Jorden. De ekstra billeder af galaksen bliver mere og mere mast sammen, jo tættere vi kigger på det sorte hul (Illustration: Peter Laursen).

"Det viser sig, at når det sorte hul roterer rigtig hurtigt, er det ikke længere en faktor 500 som man skal tættere på, men væsentligt mindre. Faktisk er hvert billede nu kun 50, eller 5, eller helt ned til blot 2 gange tættere på kanten af det sorte hul", forklarer Albert Sneppen.

Hvis man skal 500 gange tættere på det sorte hul for hvert nyt billede, bliver billedene hurtigt "mast sammen" i ét ringformet billede, som det ses på figuren her. I praksis vil de mange billeder altså være svære at observere. Men når sorte huller roterer er der mere plads til de "ekstra" billeder, så vi kan gøre os håb om at bekræfte teorien observationelt i en ikke al for fjern fremtid. Dermed kan vi blive klogere på ikke bare sorte huller, men også de bagvedliggende galakse:

Rejsetiden for lyset bliver længere, jo flere gange det skal rundt om det sorte hul, så billederne ville blive mere og mere "forsinket". Hvis for eksempel en stjerne eksploderer som en supernova i en bagvedliggende galakse, ville man derfor kunne se denne eksplosion igen og igen.

Albert Sneppens artikel er netop blevet accepteret til publikation i tidsskriftet Scientific Reports, og kan læses her: Divergent reflections around the photon sphere of a black hole.