Kolliderende sorte huller bekræfter Stephen Hawking-teori

Sorte huller er måske universets mest ekstreme objekter. Alligevel ved vi stadig kun forbløffende lidt om dem.

Det er faktisk kun 10 år siden, vi for første gang fik bekræftet deres eksistens ved hjælp af tyngdebølger, også kaldet tyngde- eller gravitationsbølger, som er små svingninger i tid og rum.

Siden da har tyngdebølger fra kolliderende sorte huller givet os et enestående indblik i deres skjulte fysik og de teorier, der beskriver dem.

14. januar 2025 blev den hidtil kraftigste tyngdebølgesignatur, kaldet GW250114, opfanget af de to enorme LIGO-detektorer, som netop er designet til at lede efter tyngdebølger.

Enestående mulighed

Denne bemærkelsesværdige hændelse gav vores internationale forskerhold en enestående mulighed for med hidtil uset præcision at teste to centrale forudsigelser fra Albert Einsteins generelle relativitetsteori:

• sorte hullers egenskaber
• og Hawkings såkaldte arealteorem

Resultaterne, som er offentliggjort i Physical Review Letters, markerer et vigtigt skridt i vores forståelse af tyngdekraft og sorte huller.

Sorte huller er en central forudsigelse i den generelle relativitetsteori, som er vores førende teori til at beskrive tyngdekraften.

Astrofysiske sorte huller opstår, når en massiv stjerne når slutningen af sit liv og kollapser under sin egen tyngdekraft. Hvornår dette kollaps fører til dannelse af et sort hul er svært at sige helt præcist, men de fleste regner med at den masse som kollapser skal være mindst 2,3-2,5 solmasser.

Tilbage er et område af rumtiden, fuldstændigt afskåret fra al kontakt med resten af universet, omgivet af en overflade kaldet begivenhedshorisonten, hvor tyngdekraften er så stærk, at intet, selv ikke lys, kan undslippe.

Men hvis sorte huller hverken kan sende signaler eller lys ud over denne grænse, hvordan kan vi så være sikre på, at de eksisterer og opfører sig, som teorien forudsiger?

Tyngdebølgernes styrke

Den generelle relativitetsteori forudsagde faktisk allerede eksistensen af gravitationsbølger.

Ethvert massivt objekt, der bevæger sig gennem rumtiden med acceleration, skaber små svingninger, som forplanter sig udad med lysets hastighed.

Disse bølger rummer et væld af information om både kilden og selve tyngdekraftens natur.

For at danne gravitationsbølger, der er stærke nok til at blive opfanget, skal der systemer til, hvor massive objekter udsættes for vedvarende og kraftig acceleration.

Én af de mest energirige kilder er et dobbelt sort hul, hvor to sorte huller kredser om hinanden under tyngdekraftens effekt.

Hidtil mest præcise tests af relativitetsteorien og sort hul-fysik

I takt med at gravitationsbølgerne fører energi væk fra systemet, vil kredsløbet langsomt skrumpe, indtil de to sorte huller til sidst smelter sammen til ét stort sort hul.

Ved at analysere gravitationsbølger fra sådanne dobbelte sorte huller kan vi undersøge, om astrofysiske sorte hullers adfærd virkelig stemmer overens med den generelle relativitetsteoris forudsigelser.

Første gang, LIGO-detektorerne observerede tyngdebølger, var 14. september 2015, da de opfangede kollisionen mellem to sorte huller – kendt som GW150914.

Takket være hurtige fremskridt i detektorernes teknologi kan vi nu observere sammensmeltninger af sorte huller i ultrahøj opløsning, hvilket gør det muligt at udføre de hidtil mest præcise tests af relativitetsteorien og sort hul-fysik.

Hawkings arealteorem

Trods deres matematiske kompleksitet er sorte huller overraskende simple objekter, udelukkende kendetegnet ved deres masse, rotation og (muligvis) elektriske ladning.

I 1972 offentliggjorde Stephen Hawking et banebrydende studie, som viste, at når to sorte huller smelter sammen, skal overfladearealet af den endelige begivenhedshorisont være større end summen af overfladearealerne af de to oprindelige sorte huller. Det er kendt som Hawkings arealteorem.

En måde at forstå det på er ved at indse, at begivenhedshorisontens overfladeareal afhænger af det sorte huls masse og rotation på en helt særlig måde:

• Hvis vi fordobler et sort huls masse, bliver begivenhedshorisonten fire gange større.
• Hvis det sorte hul derimod roterer hurtigere, bliver begivenhedshorisonten mere fladtrykt (forestil dig en rugbybold), og overfladearealet mindskes.

For sammensmeltende sorte huller viste Hawking, at selvom der tabes energi og drejningsmoment i form af tyngdebølger, vil det altid resultere i et endeligt sort hul med en større begivenhedshorisont.

Hawkings forudsigelser er bekræftet

GW250114 gav os en enestående mulighed for at teste Hawkings forudsigelser.

Ved at analysere data om tyngdebølgerne med de bedst tilgængelige modeller har vores forskerhold nu bekræftet Hawkings læresætning med stor sikkerhed.

Det var muligt gennem detaljeret modellering af det såkaldte 'ringdown' – den sidste fase, efter to sorte huller kolliderer og smelter sammen, hvor det nye sorte hul udsender en række tyngdebølger med særlige frekvenser i et karakteristisk mønster.

Processen kan sammenlignes med at slå på en klokke: Tonerne, der udsendes, afhænger af klokkens materiale og form, og klokkens klang bærer denne information med sig. Så ved at analysere lyden kan vi udlede både form og materiale.

For roterende sorte huller kan vi gøre noget tilsvarende ved hjælp af tyngdebølger:

Ved at analysere de udsendte bølger og deres harmoniske komponenter kan vi genskabe det sorte huls masse og rotation og dermed overfladearealet af dets horisont.

Lover at revolutionere vores forståelse

Med et så stærkt signal var vi i stand til at gennemføre en lang række tests af forskellige aspekter af Einsteins teori. I alle tilfælde holdt den generelle relativitetsteoris forudsigelser stik.

Observationen af GW250114, som leverer den hidtil klareste bekræftelse af Einsteins teori, bekræfter også nogle af dens mest dybtgående forudsigelser, blandt andet Hawkings arealteorem.

Det er endda kun begyndelsen: Det næste årti lover at revolutionere vores forståelse af både tyngdekraft og sorte huller yderligere.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.