Hvad er et sort hul?
Et sort hul er et objekt i rummet. Det har så stor en massekoncentration, at intet, end ikke lys, kan undslippe dets klør, når først det er indfanget.

(Illustrationsfoto: NASA)

Sorte huller suger masse til sig: Gas, planeter eller hele stjerner. Bare i vor egen galakse - Mælkevejen - kender vi nu til omkring 20 formodede sorte huller, og supermassive sorte huller ser ud til at findes i centrum af de fleste galakser.

Eftersom de også suger lyset til sig ses de ikke, og forskerne har i mange år kæmpet med at bevise at de faktisk eksisterer. Den eneste måden at finde dem på er ved at studere den effekt, de har på omgivelserne omkring sig.

Selv om de kaldes huller, er det ikke sådan at forskerne tror massen forsvinder til et eller andet sted udenfor vores fatteevne. Det er måske bedre at tænke på fænomenerne som 'gravitationsbrønde' snarere end egentlige huller.

Materien forsvinder

Inderst i kernen af de fleste galakser findes de såkaldte supertunge sorte huller. De vejer fra nogle millioner til ti milliarder gange mere end Solen. Gas, støv og stjerner som hullerne suger til sig, hvirvler voldsomt rundt om hullet og bliver 'kværnet', knust og sammenpresset, før materien forsvinder ind i hullet for stedse.

I denne proces bliver materien opvarmet voldsomt og stråler kraftigt. Astronomerne har observeret røntgenstråling, lys og radiostråling fra sådanne fænomener. De har også observeret en stjerne, som bevæger sig lynhurtigt omkring det sorte hul i midten af vores egen galakse.

Kræfter i balance

Al masse er omgivet af et tyngdefelt. To mennesker som vejer lige meget trækker i hinanden med lige stor tyngdekraft, men disse kræfter er som regel så små, at de ikke mærkes i forhold til den stærke tyngdekraft fra Jorden.

Store legemer trækker meget mere i den materie som omgiver dem. Et sort hul er et område i rummet, som er så massivt, at det fanger alt, som kommer i nærheden af det - til og med lyset.

Mens tyngdekraften på en stjerne gør, at materie 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 balance, vil stjernen hverken krympe på grund af gravitationen eller vokse på grund af gastrykket. Det er Solens nuværende tilstand.

Når tyngdekraften tager overhånd

Men vi har hørt, at stjerner dør eller kollapser. En stjernes levetid er begrænset af, hvor meget 'brændstof' den har: Brændslet bliver brugt op, for eksempel ved at alt tilgængeligt brint bliver omdannet til helium. Så slukkes 'bålet'.

Når der ikke er mere stof at skabe energi af, vinder tyngdekraften over gastrykket, og stjernen vil trække sig langsomt sammen eller kollapse hurtigt - afhængigt af dens indre opbygning.

Atom- og elektrontryk

Der findes også andre kræfter, som holder stjernen oppe: Kræfter, som virker mellem atomer og mellem elektronerne inde i atomerne. De er grunden til, at din hånd ikke går igennem en bordplade, hvis du slår på den.

Der skal enorme kræfter til for at overvinde elektrontrykket. For en stjerne på størrelse med Solen er dette tryk nok til at forhindre, at den kollapser under sin egen tyngde. Solen er nemlig alt for lille til, at den nogensinde vil blive til et sort hul.

Men for stjerner med en masse som er tre-fem gange større end Solens, er hverken atomtrykket eller elektrontrykket stærkt nok til at modstå tyngdekraften, som efterhånden vil tage overhånd. Atomerne vil trykkes ind mod hinanden, og efterhånden vil det samme ske med elektronerne.

Kollaps

Ved en sådan sammentrykning forvandles materien til massive neutroner, men de kan heller ikke altid klare at holde stand mod tyngdekraften. Ifølge de teorier vi har i dag vil stjernen så kollapse til et meget lille punkt og blive til det, vi kalder et sort hul.

Der er forskel på stjernens masse og slutmassen på det sorte hul. Hvis stjernen gennemgår en supernovaeksplosion, bliver kun en ganske lille del af den oprindelige masse liggende tilbage. Det er størrelsen af denne rest, som bestemmer, om det bliver en neutronstjerne eller et sort hul.

Forskerne har haft store problemer med at forstå, hvad der sker i en stjernes dødsfase, men de har fået bedre overblik i de senere år. Mod slutningen af deres levetid bliver kernen i tunge stjerner gradvis tættere og varmere, og kernereaktioner omdanner gasser til stadig tungere grundstoffer. Til sidst består kernen af jern og nikkel, og så nærmer vi os afslutningen - stjernen begynder at kollapse.

Skive af gas og støv omkring et muligt sort hul i hjertet af NGC 4261 (Foto: NASA / Walter Jaffe, Holland Ford)

På brøkdele af et sekund bliver kernen trykket sammen til en ufattelig tæt og meget lille klump. Hvis kernen nu har mere end tre gange Solens masse, er der intet som kan modstå tyngdekraften, som presser kernen sammen til et næsten uendeligt lille punkt.

Kosmiske støvsugere?

Det sorte hul suger materie til sig og et klassisk spørgsmål er, 'hvorfor trækker et sort hul ikke al materie i Universet til sig?'. Men på samme måde som planeterne ikke falder ind i solen, men er stabile i deres baner, har også sorte huller en begrænset 'indfaldszone'.

Det er først, når materien kommer indenfor denne zone, at den fanges af gravitationsfeltet. Så hvis vi havde et sort hul - med samme masse - i stedet for Solen, ville det sorte hul ikke trække mere i planeterne, end Solen gør.

Som i en håndvask

Når masse falder ind i et tyngdefelt, stiger dens fart og dermed også energien. Hvis store mængder materie falder ind samtidig, vil det snurre rundt omkring det sorte hul, som vand på vej ned i en håndvasks afløb.

Friktion inde i denne materie vil forvandle en del af energien til varme. Varmen omdannes til stråling. For eksempel synligt lys og røntgenstråler.

Forbi begivenhedshorisonten

I fysikkens terminologi siger man, at massen forsvinder forbi begivenhedshorisonten ('the event horizon'). Det er en mystisk teoretisk grænse, som omgiver et sort hul. Alt som kommer indenfor er fanget for evigt.

Begivenhedshorisonten markerer grænsen for, hvor lys ikke længere kan klare komme fri af hullets tyngdekraft. Hvad end der sker indenfor, vil det aldrig være muligt at se det udefra.

Milliarder gange Solens masseNår en materie nærmer sig et sådant hul, bliver den trukket ud i en malstrøm, som hvirvler i spiral ind mod hullet. For at forklare den forbløffende energiproduktion i kvasarer og andre aktive galakser, gætter man på, at der findes sorte huller med masser fra en million til flere milliarder gange Solens masse.

Meget bevismateriale som understøtter denne model er fremkommet i den seneste år, inklusiv observationer af store koncentrationer af masse i galaksernes centrale regioner.

Mælkevejens sorte hul

Mælkevejens massive sorte hul er relativt lille og inaktivt. Andre galakser er kendt for at have centrale objekter, med en masse som svarer til milliarder af stjerner. Disse sorte huller karakteriseres som 'aktive', og de sluger grådigt massen omkring sig.

Forskerne ved ikke, hvorfor det sorte hul i Mælkevejen er relativt roligt - måske holder det bare en kulinarisk pause efter milliarder af års frådseri.

Minihuller?

Trods beregninger om at Mælkevejens sorte hul har en masse som er næsten tre millioner gange Solens, har det dværgstatus på skalaen for supermassive sorte huller, som rangerer fra en million til tre milliarder solmasser.

Men forskerne grubler også over muligheden for eksistensen af mindre sorte huller - 1.000 gange mindre end det i vores egen galakse.

Einstein og relativitetsteorien

Sorte huller blev forudset af Einsteins generelle relativitetsteori, som nu er mere end 80 år gammel. Forskerne troede egentlig ikke på, at sådan nogle objekter eksisterede før 1960'erne, hvor man fandt bevis for, at nogle gamle stjerner var kollapset og havde dannet små sorte huller, blot få gange mere massive end vores egen Sol.

På samme tid opdagede man også kvasarerne; de skinnende midtpunkter i galakser. Den enorme energi de producerer kan kun skyldes et stort og sultent sort hul, mener forskerne.

Selv om man ikke kan se forbi begivenhedshorisonten, har man i dag registreret så mange af de sorte hullers virkninger på omgivelserne, at man regner dem for værende et faktum.

© forskning.no. Oversat af Johnny Oreskov

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.