17. juni 2021

Sorte huller

Astrofysik:

I et kosmos fyldt med matematiske skønheder og uhyrlige giganter, er det Sorte Hul dog stadig en usædvanlig beboer, der bryder med den menneskelige intuition. Den standser tiden selv, fanger alt i sit indre og spejler universets lys på sin kant.

Visualisering af et sort hul. Kilde: NASA
Visualisering af et sort hul. Kilde: NASA

Tyngdekraften får æbler til at falde til jorden, og Jorden til at kredse om solen. Men den tyngdekraft vi omgives af i hverdagen, den er forsvindende lille. Lille nok til at mennesket har undsluppet jordens overflade, har sat sine fodspor på månen og sendt satellitter til fjerne afkroge af solsystemet. 

 

Men når tyngdekraften bliver større bliver det sværere at slippe væk. Og når tyngdekraften bliver så stor, at intet kan slippe væk, hverken partikler eller lys, så formes det vi kalder et Sort hul.   

For at få en så ubegribelig stor tyngdekraft, skal man samle utrolige mængder masse i et meget lille område. Det ville kræve en sukkerknald med hele jordens masse, eller at det indre København vejede mere end solen, eller at en milliard stjerner var klemt inde i vores solsystem.

Selvom det kræver en så utrolig stor massefylde, som vi end ikke i vores vildeste fantasi kan forestille os, så eksisterer sorte huller alligevel talrigt overalt i vores kosmos.

Karl Schwarzschild
Karl Schwarzschild, fysiker og astronom (9. Oktober 1873 – 11. maj 1916). Foto: Wikipedia

Rummet omkring Sorte Huller

På østfronten I 1915 sad en løjtnant og udregnede, hvordan han bedst kunne ramme sine russiske fjender med det tyske artilleris projektiler. Imellem slagene og snigangreb, fik den aldrende løjtnant dog nys om en ny matematisk ide fra hjemlandet.

Fysikeren Albert Einstein havde netop opdaget en helt ny måde at beskrive tyngdekraft på., og Løjtnanten brugte de sene nattetimer til at regne videre på ideerne, hvor han var faretruende synlig for fjenden belyst af egne lanterner.

 

Men han nåede tidsnok at komme frem til en løsning på feltligningerne, og løsningen er det vi i dag kalder et Sort Hul. 

Hvad følger er, hvad løjtnanten Karl Schwarzschild og astrofysikken sidenhen indså. For det første, at et sort hul er et sted i rummet, hvor alt, selv lys, bliver fanget i dens indre. Hvis man befinder sig udenfor et sort hul kan man slippe væk, men såfremt man passerer hullets kant, den såkaldt begivenhedshorisont, forbliver man for evigt i dens indre.

Tyngdekraften fra sådan et legeme er så stor, at lys kan rotere om det sorte hul, ligesom månen om jorden, jorden om solen eller solen om mælkevejens midte. Det sidste medfører, at universet kan ses spejlet på kanten af et sort hul: Dansk studerende løser hvordan lyset reflekteres nær sorte huller.

Længere væk fra kanten af et sort hul, har man forudsagt og observeret en disk af plasma. Plasmaen er partikler, som er millioner af grader varme, og i færd med at falde ind mod det sorte hul, lyser de kraftigt op og gør sorte huller til nogle af de lyseste objekter i kosmos. Den lysende doughnut blev observeret med Event Horizon Telescope rundt om et supermassivt sort hul I midten af galaksen M87.

Det supermassive sorte hul observeret I midten af galaksen M87 ved the Event Horizon Telescope. Dette sorte hul vejer omtrent 2.400.000.000 solmasser og er 55 millioner lysår væk. 
Det supermassive sorte hul observeret I midten af galaksen M87 ved the Event Horizon Telescope. Dette sorte hul vejer omtrent 2.400.000.000 solmasser og er 55 millioner lysår væk. 

Tiden nær sorte huller

Om du er er evigt punktlig, eller altid kommer for sent, så har alle mennesker en intuitiv forståelse for tid. Det adskiller det  ene øjeblik fra det næste, i dag fra i morgen, nutiden fra fremtiden.

Det virker desuden som en meget absolut størrelse, noget vi alle deler – et år er lige længe for dig og mig. Men den intuition er ikke eksisterende i nærheden af et sort hul.

Forstil dig blot at du falder ind mod et sort hul. Mens den sorte kant begynder at fylde mere og mere af dit udsyn, vil universets tid begynde at accelerere i forhold til din tid. Hvis jeg så dig falde mod et sort hul, ville det se ud som om du stoppede nær randen af det sorte hul. Jeg ville blive gammel før du nåede at krydse begivenhedshorisonten.

Fra dit perspektiv vil du falde uforstyrret hen mod kanten, men efterhånden som du nærmer dig horisonten, vil du faktisk se evigheder af tid, alle galakser vil slukke og alle stjerner langsomt flakke ud. 

Supermassive Sorte Huller

Når store stjerner ikke længere kan stå imod deres egen tyngdekraft, vil de kollapse i en supernova-eksplosion. Denne implosion presser stjernen indre til et mindre rumfang end en asteroide, så der kan dannes sorte huller. Denne mekanisme er forudsagt til at danne almindelige sorte huller.

 

I midten af mælkevejen eksisterer et meget større sort hul, et såkaldt supermassivt sort hul, som vejer lige så meget som 2 millioner sole. Faktisk er den videnskabelige konsensus, at midten af alle galakser indeholder lignende sorte huller.

Disse sorte huller lader til at være essentielle for at forstå udviklingen af galakserne de bebor, men det præcise forhold mellem galakserne og deres sorte huller er endnu et ubesvaret spørgsmål i fysikken.

Sorte huller findes overalt i universet

Sorte huller er et produkt af supernovaeksplosioner, hvor stjerner kollapser og dør. Mod slutningen af stjerners levetid bliver kernen i tunge stjerner gradvist tættere og varmere, og kernereaktioner omdanner gasser til stadigt tungere grundstoffer.

Til sidst består kernen af jern og nikkel, og så nærmer vi os afslutningen - stjernen begynder at kollapse. Mens tyngdekraften på en stjerne gør, at materien på stjernens overflade vil trækkes ind mod centrum, er det indvendige gastryk udadrettet, og det gør, at materien presses ud igen.

Hvis disse to kræfter er i ubalance, vil stjernen krympe på grund af tyngdekraften eller vokse på grund af gastrykket. Ved en sammentrykning forvandles materien til massive neutroner, såkaldte neutronstjerner, men de kan heller ikke altid klare at holde stand mod tyngdekraften.

Hvis tyngdekraften er for voldsom, vil stjernen kollapse yderligere til et meget lille punkt og blive til det, vi kalder et sort hul.

Sorte huller i vores galakse

Bare i vores egen galakse Mælkevejen er der tusindvis af sorte huller, og supermassive sorte huller ser ud til at findes i centrum af de fleste galakser. Der er dog forskel på sorte huller.

Mælkevejens massive sorte huller er relativt små og inaktive. Trods beregninger, der viser, at Mælkevejens sorte hul har en masse, som er næsten tre millioner gange Solens, har dette sorte hul dværgstatus på skalaen for supermassive sorte huller, som rangerer fra en million til tre milliarder solmasser.

Et sort hul vokser når stof falder ned i det. Store sorte huller som dem, der findes i midten af galakserne, kan æde hele stjerner, og så bliver de endnu større.

Når to galakser kolliderer, kan de sorte huller også smelte sammen og danne ét enkelt kæmpestort sort hul, der kan have lige så stor masse som milliarder af stjerner.

 

Karrieremuligheder: Hvad kan jeg blive som Astrofysiker?

Læs om Fysikuddannelsen på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet og Fysikuddannelsens opbygning.

Se også: