Dansk fysikstuderende løser gåde om sorte huller

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; vi siger, at rummet 'krummer'.

Lysstråler bevæger sig altid ligeud i et tomt rum, men hvis rummet er krumt, bliver lysets bane også krum. Tæt på et sort hul krummer rummet så meget, at lysstråler afbøjes og kan rejse flere gange rundt om det sorte hul.

Hvis lysstrålerne kommer for tæt på det sorte hul, bliver de 'slugt' og slipper aldrig væk igen, men hvis de lige akkurat undgår denne dystre skæbne, kan de fortsætte deres færd i forskellige retninger.

Den retning, lysstrålerne kommer fra, når de når ned til os, afgør, i hvilken retning vi ser dét, der lyser. Hvis 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

Mekanismen er illustreret på figuren herunder: Den fjerne galakse lyser i alle retninger – noget af dens lys (den blå stråle i billedet) kommer i nærheden af et sort hul og afbøjes let, hvorefter det fortsætter ned til os.

Noget lys (den grønne stråle) kommer tættere på og flyver rundt om hullet en enkelt gang, før det slipper ned til os, mens andet lys (den røde stråle) kommer endnu tættere på, snurrer rundt to gange, og så videre.

Den retning vi modtager lyset fra, er den retning, galaksen ser ud til at ligge i. Når vi kigger i nærheden af det sorte hul, ser vi derfor flere og flere versioner af samme galakse, jo tættere på kanten af hullet, vi kigger.

Hvor meget tættere på det sorte hul skal man så kigge fra ét billede, for at se det næste billede?

Resultatet har været kendt i over 40 år og lyder på lidt over 500 gange. For matematik-aficionadoerne er det mere nøjagtigt 'eksponential-funktionen af to pi', skrevet e^2π (læs mere herom i boksen under artiklen).

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

Og hvad kan vi så bruge det til?

Albert Sneppens metode er smuk, men måske ikke så anvendelig, da man jo allerede kendte resultatet, indvender du.

Desuden, hvis man skal 500 gange tættere det sorte hul på for hvert nyt billede, bliver billedene hurtigt 'mast sammen' til ét ringformet billede, som det ses på figuren nedenfor, så i praksis bliver det svært at observere.

Så hvad er pointen?

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.

Og hvad der er endnu mere interessant: Som noget helt nyt kan Albert Sneppens metode generaliseres til ikke bare at gælde 'trivielle' sorte huller, men også for sorte huller, som roterer.

Og det gør alle sorte huller faktisk.

Sorte huller skabes af stjerner, som kollapser. Stjernerne er selv skabt af gasskyer, som kollapser, og disse gasskyer vil generelt være turbulente og rotere.

Jo mere gasskyen, og senere stjernen, trækker sig sammen, jo hurtigere roterer den. Hvor gasskyen bruger millioner af år på at dreje rundt, bruger en stjerne en måned, mens et sort hul let roterer med en betragtelig del af lysets hastighed.

Det viser sig, at når det sorte hul roterer rigtig hurtigt, ligger de 'ekstra' billeder ikke længere mast sammen lige over det sorte huls overflade. Man skal ikke længere kigge 500 gange tættere på, men væsentligt mindre, for at se dem.

Jo hurtigere hullet roterer, jo lettere bliver det at se billederne. Faktisk er hvert billede nu kun 50, eller 5, eller helt ned til blot 2 gange tættere på kanten af det sorte hul.

For et maksimalt roterende sort hul ligger billede nummer 2, 3, 4 og 5 dermed kun to, fire, otte og seksten gange tættere på hullet end billede nummer 1.

Det lyder måske komplekst, men hovedpointen er, at det i den 'virkelige verden' rent faktisk bliver muligt observationelt at bekræfte Albert Sneppens teori.

Historien gentager sig selv

Når sorte huller roterer, er der altså mere plads til de 'ekstra' billeder. Derfor kan vi nu 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 galakser:

Jo flere gange lyset skal rundt om det sorte hul, jo længere tid tager det. Det vil sige, at billederne vil 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.

Denne effekt har man faktisk allerede observeret, ikke med sorte huller, men ved hjælp af tunge galaksehobe, der kan give en lignende effekt. Første gang er ikke mere end seks år siden, hvor astronomer observerede den samme supernova i en galakse med et års mellemrum.

Og for ganske nylig fandt astronomer fra Cosmic Dawn Center, at en supernova kunne ses ikke mindre end tre steder på himlen, og de forudsiger endda, at vi vil se den igen i år 2037.

Med Albert Sneppens nye beregninger vil vi måske kunne se samme effekt omkring sorte huller.