Fra Newton til Einstein og Hawking: Sådan tænkte fysikerne om de gådefulde sorte huller
Ingen af de tre nåede dog at leve længe nok til at se et sort hul. Faktisk troede Einstein slet ikke på, at de fandtes i virkeligheden.
sort hul sagittarius A*

Et simuleret - men dragende - sort hul. (Illustration: Alain Riazuelo)

Her i foråret 2019 har vi oplevet en af astronomiens markante begivenheder.

Det skete, da otte store radioteleskoper, fordelt over den ganske verden, samarbejdede om at levere verdens første billede af et sort hul.

Det var til gengæld et af de allerstørste sorte huller, vi kender: det supermassive sorte hul på næsten 7 milliarder solmasser, der ligger i centret af kæmpegalaksen M87.

M87 befinder sig i Virgo galaksehoben godt 55 millioner lysår borte, og det betyder, at selv om hullet er kæmpestort, så strækker det sig over kun 0,1 nanograd set her fra Jorden. Til sammenligning fylder Månen ½ grad eller 42 millioner gange mere på himlen.

Det sorte hul i M87 har en udstrækning på godt 40 milliarder km. Det betyder, at anbragt på Solens plads ville M87-hullet række 6-7 gange Plutos afstand ud i vort solsystem.

Hvis vi forestillede os Solen presset sammen til et sort hul, ville den få en radius på 3 km, mens Jorden ved samme behandling endte i en kugle på bare en cm.

sort hul

Sådan ser det ud: Verdens første billede af et sort hul. Klik her for at zoome ind. (Foto: EHT)

De sorte hullers historie

Det er ikke sært, at det har taget astronomerne flere år at indsamle observationer og databehandle dem, så vi alle kunne opleve det første ægte billede af et sort hul.

Selv om det som altid er nødvendigt med kunstige farver, da vores øjne ikke er gearet til at se radiobølger.

Læs mere om arbejdet med at få taget billedet i artiklen 'Hvordan blev verdens første billede af et sort hul til? Få den fascinerende historie'.

Mens vi nu venter på det næste billede, som skal afsløre det sorte hul ved navn Saggitarius A* i vor egen Mælkevej, vil vi se lidt nærmere på de sorte hullers historie, og hvad de store fysikere tænkte om dem.

Om artiklens forfattere

Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.

I snart 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.

De står bag bøgerne 'Det levende Univers' samt 'Rejsen ud i rummet - de første 50 år' og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.

De sorte huller har formodentlig været i universet lige siden begyndelsen ved Big Bang. De er et resultat af den vildeste udfoldelse af tyngdekraften.

Alle himmellegemer, som stjerner og planeter, er dannet ved gradvis opbygning og sammentrækning under tyngdekraftens indvirkning.

I ekstreme tilfælde kan tyngdekraftens virkning imidlertid være så stærk, at et legeme kollapser så voldsomt, at end ikke lys kan undvige. Himmellegemet bliver usynligt og giver sig kun til kende ved et stærkt tyngdefelt. Vi har fået et sort hul.

Igennem den astronomiske historie har forskere gradvist tilføjet utallige bidrag til forståelsen af de sorte huller frem til nu, hvor det netop er lykkedes at bekræfte deres eksistens ved det berømte første billede.

I boksene under artiklen kan du desuden læse om de tre klassifikationer for sorte huller, om hvordan man fandt på navnet 'sort hul', og om hvad der ville ske med Jorden, hvis Solen blev et sort hul.

LÆS OGSÅ: Første billede af et sort hul nogensinde: »Ligner en ring af ild«

Isaac Newtons bidrag

Isaac Newton er den første, der bringer tyngdeloven ind i fysikken. Det sker med udgivelsen af det store værk Principia i 1686, hvor han anskuer tyngdekraften som en universel kraft, der ikke bare virker på æblet her på Jorden, men styrer alle himmellegemers bevægelse.

Et århundrede senere anvender to videnskabsmænd, englænderen John Michell og franske Pierre-Simon Laplace Newtons tyngdelov på stjerner. Uafhængigt af hinanden når de frem til, at naturen kunne frembringe stjerner så massive, at ikke engang lys kan undslippe deres tyngdefelter.

John Michell var, som det var almindeligt på den tid, en veluddannet herre. Han havde studeret teologi, græsk og hebraisk i Cambridge, men også naturvidenskab. I 1783 holdt han i Royal Society i London et foredrag om stjerners tyngdekraft.

Her forklarede han, at stjerner måske kunne være så tunge, at lys på grund af tyngdekraften kunne have svært ved at slippe bort:

»Skulle sådanne stjerner findes, ville deres lys aldrig nå os.«

Simon Pierre Laplace forestiller sig lyset som små partikler - inspireret af Newtons teori for lys, som var fremherskende på den tid. Tunge stjerner holder altså så godt på lyspartiklerne, at de har svært ved at undvige.  

Laplace udtrykker det således :

»De største lysende stjerner i universet må være usynlige.«

Einsteins univers

Det næste store gennembrud kommer med Einsteins almene relativitetsteori fra 1915.

Her formidler han, at tyngdekraften skal opfattes som en krumning i rumtiden, hvis årsag er masseindholdet i universet: 

Jo mere massivt et objekt er, desto mere krummer det rummet omkring sig. Og i yderste konsekvens kunne et supermassivt objekt krumme rumtiden så stærkt, at det forsvandt ud af syne.

Albert Einstein

Albert Einstein blev født 14. marts 1879 og fik Nobelprisen i fysik 1921. (Foto: Oren Jack Turner / Library of Congress)

Om denne nye noget abstrakte måde at anskue tyngdekraften på, har fysikeren John Wheeler udtalt, at »spacetime tells matter how to move; matter tells spacetime how to curve,« som en raffineret beskrivelse af samspillet mellem masse og rummets krumning

Altså, at rum og tid fortæller stoffet, hvordan det skal bevæge sig, og stoffet fortæller rum og tid, hvordan krumningen skal være. Han tilføjer, at enhver masse overalt i universet bidrager til rumtidskrumningen.

En af de første, der giver sig til at se på Einsteins nye teori, er den unge tyske fysiker Karl Schwarzschild, der ellers havde nok at tænke på, idet han var udstationeret i Rusland under 1. Verdenskrig.

Alligevel fik han tid til at overveje en løsning på en af Einsteins ligninger. Han fandt, at for en stjerne, der både var meget tung og meget lille, var der en grænse omkring den, hvor alt, hvad der mødte denne grænse, aldrig kunne slippe bort.

LÆS OGSÅ: Hvad er et sort hul?

Event Horizon

Det var den første beregning, der var baseret på Einsteins almene relativitetsteori, og grænsen fik dengang navnet Schwarzschild. radius.

Sorte huller EInstein schwarzchild radius event horizon

Betegnelsen svarer til det, vi i dag kalder Event Horizon, eller begivenhedshorisonten, omkring et sort hul.  

Begivenhedshorisonten er altså den grænse, der skiller det sorte hul fra omverdenen.

Når et legeme kollapser til et sort hul, afgrænser det således et område af universet, hvorfra hverken lys eller nogen anden form for information kan undslippe.

Men da intet kan standse kollapset, fortsætter det bag Event Horizon, indtil stoffet så at sige er presset sammen i et punkt kaldet en singularitet, som har radius 0 og en massefylde på uendelig (her er klart noget, som vi ikke har styr på inden for den kendte fysik). 

Brevveksling med Einstein

Men det ændrer ikke på, at Schwarzschild havde fundet en elegant løsning på et vanskeligt spørgsmål. Og han skriver da også straks herom til Einstein i december 1915, mens han endnu er ved den russiske front, og endda er angrebet af en alvorlig immunsygdom, der året efter kommer til at koste ham livet.

Einstein er imponeret og svarer i begyndelsen af 1916:

»Jeg har læst Deres afhandling med den yderste interesse. Jeg havde ikke ventet, at nogen kunne formulere en eksakt løsning til problemet på så enkel måde. Jeg værdsætter virkelig Deres matematiske tilgang til emnet. Næste torsdag vil jeg præsentere deres arbejde for Akademiet… Albert Einstein.«

Einstein troede pudsigt nok ikke selv på, at sorte huller findes i virkeligheden, selv om de fulgte af hans ligninger. Han skrev endda en artikel i tidsskriftet 'Annals of Mathematics’ i 1939, hvor han forsøgte at bevise, at sorte huller er umulige.

Einstein udtaler her: »Ideen om sorte huller er ikke overbevisende, og fænomenet eksisterer ikke i den virkelige verden.«

LÆS OGSÅ: Einsteins almene relativitetsteori er stadig 'perfekt'

Steven Hawking og de sorte huller

Nu skulle man vel tro, at et sort hul må have en konstant masse, nemlig den masse, der forsvandt bag Event Horizon-grænsen ved hullets dannelse.

Men i 1974 viste den nyligt afdøde engelske astrofysiker Steven Hawking, at det ikke altid er tilfældet. Sorte huller, der ikke er alt for store, kan under visse betingelser udsende stråling - naturligvis kaldet Hawking-stråling.

I kvantemekanikkens beskrivelse af det tomme rum opstår der hele tiden par af partikler og antipartikler, som hurtigt tilintetgør hinanden. Sådanne partikler kaldes for virtuelle partikler, fordi de forsvinder så hurtigt, at man ikke kan nå at registrere dem.

Det sker også på kanten af begivenhedshorisonten, og her kan det ske, at den ene partikel opsluges, før den når at forsvinde, mens den anden partikel undslipper. Set udefra ser det derfor ud, som om det sorte hul udsender en partikel.

Rent fysisk er der sket det, at den partikel, der undslipper, ikke længere har en partner, som den kan mødes med til fælles tilintetgørelse. Nu er partiklen ikke længere virtuel, men en rigtig partikel. Den proces kræver energi, og energien leveres af det sorte hul, som derved taber masse på grund af ækvivalensen mellem masse og energi.

Fænomenet kaldes Hawking-fordampning, og det kan i teorien ende med, at det sorte hul forsvinder helt. Processen virker bedst for meget små sorte huller, kaldet mikro sorte huller (om de eksisterer, ved man faktisk ikke, og det kan du læse mere om i boksen under artiklen.)

Stephen Hawking i vægtløs tilstand NASA sorte huller

Stephen Hawking i vægtløs tilstand. (Foto: NASA)

Røntgen dobbeltstjerner

I sagens natur er det jo ikke muligt at observere sorte huller direkte, da de ikke udsender nogen form for stråling, bortset fra den hypotetiske Hawking-stråling, der alligevel er næsten umulig at opfange.

Derfor har det hidtil været nødvendigt at ty til indirekte metoder for at komme på sporet af dem. Og her forsøger man at observere virkninger af det meget stærke tyngdefelt, et sort hul omgiver sig med.

I første omgang har man koncentreret sig om mellemgruppen af sorte huller, som er af stjernestørrelse.

Cygnus X-1 som eksempel

Den første og mest berømte kandidat hertil var den meget kraftige røntgenkilde Cygnus X-1, der blev opdaget i 1971.

Cygnus X-1 er et system af to stjerner, der roterer om hinanden på bare 5,6 døgn: en blå superkæmpe og en usynlig ledsager med en samlet masse på omkring 15 solmasser.

Den usynlige ledsager trækker store mængder gas bort fra den blå stjerne. Gassen opnår herved så store hastigheder, at den udsender en stærk røntgenstråling.

Da ledsageren påvirker superkæmpe stjernen så voldsomt og samtidig er usynlig, har man hidtil formodet, at der er tale om et sort hul. Nogle mener dog, at ledsageren ikke er så massiv og måske blot er en neutronstjerne.

I den forbindelse er de såkaldte X-ray binaries, altså røntgen dobbeltstjerner af særlig interesse. Det drejer sig om dobbeltstjerner med en ret stor samlet masse på måske 15 solmasser, hvor:

  • den ene komponent kan være en varm superkæmpe,
  • mens ledsageren er massiv, men usynlig, og derfor kunne være et sort hul eller bare en ganske lille men massiv neutronstjerne.
  • Hvis afstanden mellem de to stjerner ikke er stor, vil de rotere om det fælles tyngdepunkt på kort tid - typisk få dage.
  • Samtidig vil ledsageren, der er den tungeste, tiltrække gasmasser fra den almindelige stjerne.
  • Disse gasser vil med stor hastighed hvirvles ind i bane om ledsageren og ende med at rotere stadigt hurtigere omkring ledsageren for gradvist at blive opslugt af det mulige sorte hul.

Cygnus X-1 sort hul blå stjerne masse

Sådan her forestiller man sig, at Cygnus X-1 er blevet formet. Det sorte hul trækker masse fra den blå stjerne til højre. (Illustration: NASA/CXC/M.Weiss)

Når gasmasser tilføres energi og opnår store hastigheder, opvarmes de og begynder at udsende røntgenstråling - stærkere stråling, jo hurtigere gassen bevæger sig.

Det er røntgenstråling af denne type, astronomerne forsøger at opfange fra massive røntgendobbeltstjerner i Mælkevejen.

LÆS OGSÅ: Kunsten at veje et sort hul

Kollision mellem to sorte huller

Fra et stort og meget specielt observatorium ved navn LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatory ) er det i de senere år lykkedes et par gange at opfange de såkaldte tyngdebølger fra universet.

Der skal meget voldsomme begivenheder til for at fremkalde tyngdebølger. En sådan begivenhed kan være en kollision mellem to sorte huller med en betydelig masse.

De to huller har oprindeligt kredset om hinanden og er gradvist kommet tættere på hinanden for til sidst at ende i et så voldsomt sammenstød, at de smelter sammen til et gigantisk sort hul.

Rumtiden sættes i svingninger

Det går selvfølgelig ikke stille for sig. En så voldsom begivenhed deformerer rumtiden og får den til at skælve i en grad, så der går en byge af tyngdebølger gennem universet.

Og det er netop hvad LIGO har observeret et par gange i de seneste år. De første tyngdebølger af denne art blev opfanget i september 2015. Ud fra styrken vurderer astronomerne, at årsagen var en kollision mellem to sorte huller på omkring 36 og 29 solmasser.

Resultatet er blevet et supertungt sort hul på godt 62 solmasser, mens de sidste tre solmasser på brøkdele af et sekund er omdannet til energi.

Det er denne energi, der har sat rumtiden i svingninger og udsendt de gravitationsbølger, vi så har kunnet registrere 1,3 milliarder lysår borte fra begivenheden.

LÆS OGSÅ: Kan man skyde genvej i universet?

Sorte huller i galaksernes centre

Vi forestiller os, at der i centrene af næsten alle galakser findes supermassive sorte huller. Denne opfattelse styrkes af mange gode indirekte observationer. Men netop i år står vi jo med det første rigtige bevis i form af det imponerende billede af det sorte hul i centret af galaksen M87.

Det er en særdeles tilfredsstillende måde for astronomerne at få bekræftet deres årelange formodninger.

Men vi skal nu ikke bare forkaste de indirekte observationer, der har givet os mange værdifulde brikker til sammenstykningen at, hvad der findes i galaksecentrene.

Mystiske aktiviteter i Mælkevejens centrum

I en galakses centrale dele er stoftætheden ganske stor. Det har ført til dannelsen af mange store stjerner, der efter et kort liv og en supernovaeksplosion er endt deres dage som store sorte huller. Og med en stor tæthed af sorte huller på begrænset område er risikoen for kollisioner stor.

Chandra X-ray NASA Sagittarius A*

Et røntgenbillede af Sagittarius A*, der er taget af NASA's Chandra X-Ray Observatory. De to ellipser er sat om to lysekkoer fra en eksplosion. (Foto: NASA)

Denne proces har nok været medvirkende ved dannelsen af galaksernes centrale sorte huller.

Vi befinder os godt 27.000 lysår fra Mælkevejens centrum. Alligevel er der ikke nogen god udsigt til de centrale dele.

Det er fordi, der mellem os og centret findes en masse stjerner, støv og gas, der alt sammen skygger godt for udsigten. I synligt lys er der stort set intet at komme efter.

Det bedste er at studere de centrale dele ved hjælp af radiobølger, røntgenstråling og infrarødt lys, der alle passerer nogenlunde uhindret gennem gas og støv undervejs.

På denne måde er det lykkedes at kortlægge Mælkevejens centrale dele ganske godt. Vi ved nu, at der næsten sikkert befinder sig et massivt sort hul på omkring 4 millioner solmasser i selve centret. Igen er det observationer af omgivelserne, der fører frem til dette.

sort hul sagittarius A*

Vi kredser sandsynligvis om et sort hul lige nu. Her er det en kunstners visualisering af, hvordan det kæmpemæssige sorte hul Sagittarius A*, der findes i galaksens centrum, ser ud. (Illustration: ESO)

Mens vi venter på Saggitarius A*

Især har en flok astronomer siden 1995 - med megen omhu og stort besvær, som de selv siger - fulgt bevægelsen af 90 stjerner tæt på det sorte hul. Stjernerne bevæger sig med stor fart og i afstande omkring 100 – 300 gange Saturns afstand på 1,5 mia km fra Solen.

Stjernernes omløbstider er bestemt til mellem 11,5 og 94 år. Hastighederne er altså virkelig store, og rekorden har stjernen med betegnelsen S2, der når op på 7650 km/s eller 2,55 procent af lyshastigheden. S2 har endda, med en omløbstid på 15 år, været fulgt nøje gennem et helt omløb.

Og alligevel har astronomerne svært ved at forstå, hvordan stjerner kan slippe godt fra at dannes og udvikle sig i de kaotiske omgivelser, der er så tæt på det massive centrale objekt. Men de er der nu engang, og det skønnes, at der er op mod 10 millioner i området.

Nu og da går det også galt. En stjerne eller anden klode kommer for tæt på det sorte hul og opsluges. Det giver anledning til et mindre udbrud af røntgenstråling, som vi af og til har registreret.

Det er målinger som disse, der er med til at fastslå, at det usynlige objekt i centret med stor sandsynlighed må være et sort hul.

Men nu vil vi forhåbentlig inden længe få syn for sagen, når et billede af Saggitarius A* kan publiceres.

LÆS OGSÅ: Sorte huller: Her er alt, du skal vide

LÆS OGSÅ: Quiz: Hvor meget (eller lidt) ved du egentlig om sorte huller?

Klassifikation af sorte huller

Man kan groft set inddele de sorte huller i tre klasser:

  • Supermassive sorte huller

  • Sorte huller med masse som tunge stjerner

  • Mikro sorte huller

Supermassive sorte huller er enorme - med masser fra flere hundrede tusinder op til milliarder af solmasser. De er selv sagt universets største, og de findes i galaksernes centre.

I vores egen Mælkevej finder vi således Sagittarius A*, et sort hul på godt 4 millioner solmasser. Det lyder jo af meget, men det kan slet ikke hamle op med det det berømte M87 sorte hul på knap 7 milliarder solmasser.

Man ved ikke helt, hvordan denne type sorte huller er opstået. En mulighed er, at der meget tidligt i en galakses liv, hvor stoftætheden var stor i de centrale dele, er dannet nogle superstore stjerner.

Disse stjerner har levet ganske kort tid, og er ved deres død kollapset til sorte huller, som gradvist kunne opsluge hinanden. På denne måde kunne et centralt hul vokse sig større.

Mellemstore sorte huller har masser typisk i området 5-30 solmasser. Meget tunge stjerner afslutter deres liv i en supernovaeksplosion, hvor de ydre dele af stjernen spredes ud i rummet, mens stjerneresten kollapser til et meget kompakt legeme.

Det kan for moderat store stjerner ende i en neutronstjerne, som er den tættest pakkede form for stof, der eksisterer. Hvis tyngdekræfterne er endnu stærkere, fortsætter kollapset, indtil vi får et objekt, med et tyngdefelt så stærkt, at end ikke lys kan undvige - vi har et sort hul.

Mikro sorte huller har vi faktisk ikke set.

Ideen om dem stammer fra Steven Hawking. Han forestiller sig, at de kunne være dannet i det meget unge univers kort tid efter Big Bang, hvor stoftætheden var stor. Og i forening med ganske små ujævnheder i fordelingen af stoffet, skulle der lokalt kunne opstå tætheder store nok til dannelsen af denne type huller.

Men det er en teori, som det naturligt nok er vanskelig at efterprøve. 

Om betegnelsen 'sort hul'

Betegnelsen ‘Sort hul’ er af nyere dato. De første to, der beskæftigede sig med disse himmellegemer, John Michell og Pierre-Simon Laplace, kaldte dem blot for ’mørke stjerner’, og gennem 1900-tallet gik de under den lidt tunge faglige betegnelse ’gravitationskollapsede objekter’.

I begyndelsen af 1960'erne møder vi første gang betegnelsen sorte huller. Her er det fysikeren Robert Dicke, der efter et ophold i Indien, finder på navnet ’Black Hole of Calcutta’ - angiveligt inspireret af et lokalt fængsel, hvorfra ingen indsat slap ud i live.

Dickes børn har senere fortalt, at hvis noget i hjemmet var forsvundet, så udbrød deres far, at det 'måtte være forsvundet i det sorte hul i Calcutta.'

Ved en forelæsning i 1967 af fysikeren John Wheeler, foreslog en student ham kort og godt at kalde emnet ’Black Hole’. Den studerende var efterhånden blevet træt af, at Wheeler gang på gang benyttede den tunge formulering ’gravitationskollapset objekt'.

Wheeler tog hurtigt ideen til sig, både fordi han fandt det kvikt, og fordi det rummede en vis reklameværdi. Det sidste kan vi vel næsten ikke se bort fra i dag i den almindelige interesse for astronomien.

Herefter vinder betegnelsen ’Sort Hul’ gradvist indpas blandt astronomer og fysikere samt i den skrevne litteratur, både i videnskabelige publikationer og i den populære videnskabsformidling.

Hvis Solen blev et sort hul
sol sort hul

Et lidt uhyggeligt tankeeksperiment. (Illustration: Creative Commons Zero - CC0)

Lad os forestille os det tankeeksperiment, som er umuligt i den virkelige verden, nemlig at Solen brat blev forvandlet til et sort hul med en radius på bare tre km.

Det første, der ville ske, ville være, at mørket og kulden med ét sænkede sig både dag og nat.

På nattehimlen ville vi dog stadig have stjernehimlen tilbage, men planeterne kunne vi ikke længere følge på himlen. De ville nu alle blive usynlige, da vi jo kun ser dem i det sollys, de tilbagekaster. Det gælder også Månen, der ville forsvinde ud i mørket.

Uændrede planetbevægelser

Derimod ville Jordens og planeternes bevægelse rundt om det sorte ’solhul’ være uændret. Solen er jo bare skrumpet ind, der er ikke ændret ved dens masse, og da det er massen, der bestemmer tyngdefeltet omkring Solen, er det heller ikke ændret.

Derfor vil solsystemets planeter bevæge sig i de samme baner, som de hidtil har gjort.

Den nuværende sol er stor. Hvis vi forestillede os, at Solen blev anbragt på Jordens plads, ville den række ud til det dobbelte af Månens afstand. Så det er ikke mærkeligt, at vi oplever solen som en pænt stor skive (selv om vi ikke må kikke direkte på den).

Det sorte ’solhul’ ville med en diameter på seks km ikke fylde meget på himlen, og ville ikke engang kunne skimtes af selv de allerstørste kikkerter.

Der kunne allerhøjst være tale om en beskeden ring af lysende gasskyer omkring hullet.

Videnskab.dk Podcast

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