Hvilken rolle spiller sorte huller for dannelsen og udviklingen af en galakse?

Mælkevejens sorte hul er bestemt ikke enestående. I dag ved vi, at i hvert fald de fleste galakser har et sort hul i centret, og det åbner et stort og stadig ubesvaret spørgsmål:

Hvilken rolle spiller disse store sorte huller både for dannelsen og udviklingen af en galakse?

Det er det store centrale spørgsmål, som vi stadig er langt fra at besvare. Vi har dog nogle af brikkerne til puslespillet, men vi har stadig ikke en teori, der giver samspillet mellem sorte huller og galakser.

Da sorte huller spiller en så central rolle, bringer vi først historien om de sorte hullers to fædre, Einstein og en tysker ved navn Karl Schwarzschild – og det bringer os tilbage til 1. Verdenskrig.

De sorte huller og 1. verdenskrig

Det er velkendt, at Einstein i sin almene relativitetsteori skabte det teoretiske grundlag for de sorte huller.

Det skete i en afhandling fra november 1915, men selve de sorte huller var ikke hans værk. Hans afhandling er de ligninger, som beskriver, hvorledes tyngdekraften påvirker selve rummets geometri.

I 1915 rasede 1. Verdenskrig, hvor millioner omkom i skyttegravene. En af dem, som havde meldt sig frivilligt, selv om han var over 40 år, var Karl Schwarzschild, der var direktør for det astrofysiske observatorium i Potsdam og en dygtig teoretiker og matematiker.

Schwarzschild modtog allerede i december Einsteins afhandling, selv om han på det tidspunkt var løjtnant i artilleriet et sted ude på østfronten.

Man kan let forestille sig Einsteins overraskelse, da han få dage senere modtog et brev fra Schwarzschild, som havde søgt at løse Einsteins ligninger.

I brevet beskrev han, hvorledes både tiden og rummets geometri bliver påvirket af tyngdekraften fra en stjerne.

Et af kendetegnene ved denne matematiske løsning er, at for meget kompakte stjerner med høj tæthed, bliver det vanskeligt, selv for lyset at undslippe stjernens gravitationsfelt.

Til sidst ender vi med en situation, hvor det bliver umuligt for selv lys at undslippe stjernen. Det er det, vi i dag kalder for et sort hul, men Schwarzschild brugte ikke denne betegnelse, som først blev en del af sproget mere end 50 år senere.

Han beskrev også det, som man senere kom til at kalde for 'begivenhedshorisonten' (event horizon), som er grænsen mellem det sorte hul, hvorfra intet kan undslippe, og rummet udenfor. Lige på denne grænse står tiden stille.

Schwarzschild skrev beskedent:

»Som du kan se, behandlede krigen mig venligt nok, på trods af et heftigt skyderi, til at tillade mig at komme væk fra det hele og tage denne tur i dine idéers land.«

Einstein svarede:

»Jeg har læst dit papir med den største interesse. Jeg havde ikke forventet, at man kunne formulere den præcise løsning af problemet på så simpel en måde. Jeg kunne meget godt lide din matematiske behandling af emnet.«

Det er dybt tragisk, at Schwarzschild mindre end et år senere døde af en hudsygdom, han havde pådraget sig ved fronten, i en alder af bare 42 år. Men han huskes stadig for sit banebrydende arbejde.

Fra teori til astronomi

Der skulle gå mange år, før astronomerne ville tage teorien om sorte huller alvorligt. Således udtalte Arthur Eddington, som var en af datidens største astronomer og fysikere:

»Der burde være en naturlov, der forhindrer en stjerne i at opføre sig på denne absurde måde.«

Det næste afgørende skridt blev taget, da man begyndte at opsende raketter og satellitter, som kunne måle røntgenstrålingen fra rummet.

En af opdagelserne var røntgenkilden Cygnus X-1, som virkelig gav astronomerne noget at tænke over.

Cygnus X-1 er en kraftig røntgenkilde, men den varierede i løbet af mindre end et sekund, og det viste, at energikilden måtte være meget lille. For første, men ikke for sidste gang, stod man overfor at forklare, hvordan et meget lille område kunne producere meget store mængder energi.

Det viste sig senere, at Cygnus X-1 var en dobbeltstjerne. Røntgenstrålingen kom fra noget, som har en masse på 15 gange Solens masse.

Hvis det havde været en stjerne, ville den udsende en masse lys, men det var ikke tilfældet – så man begyndte at tage ideen om sorte huller alvorligt. Og hermed vender vi os mod de sorte huller i galaksernes centre.

Et spørgsmål om energi

Det er næsten 60 år siden, at astronomerne kom på sporet af galaksernes sorte huller. Dengang var radioastronomien ret ny, så man gik i gang med at udarbejde kataloger over radiokilder.

Det mest berømte blev det såkaldte 3. Cambridge-katalog, også kaldet 3C-kataloget, som var udarbejdet af astronomer fra det engelske Cambridge-observatorium.

Man fandt mange stærke radiokilder, men det blev nummer 273 i kataloget, som skabte det store gennembrud.

I et stort teleskop lignede 3C 273 bare en blåhvid stjerne, men den udsendte en enorm mængde radiostråling. Det lykkedes dog i 1963 astronomen Marten Schmidt at optage et spektrum og bestemme afstanden til 3C 273, og her viste det sig, at den befandt sig over to milliarder lysår borte.

Det var efter datidens forhold en helt enorm afstand, og den viste for det første, at 3C 273 ikke kunne være en stjerne, for man kan slet ikke observere stjerner over så store afstande. Der måtte være tale om en galakse, men så var det mærkeligt, at det, man så, lignede en stjerne.

En hurtig beregning viste, at 3C 273 udsender mere end 230 gange så meget lys som Mælkevejen, og hertil kom så en meget stærk radiostråling. I dag ved vi, at det, vi har set, er centret af en kæmpegalakse. Grunden til, at man ikke så resten af galaksen, var, at 95 procent af lyset kommer fra centret.

Igen stod man overfor problemet med, at et meget lille område producerer enorme mængder energi. Det blev hurtigt klart, at man skulle lede efter en energikilde meget stærkere end den fusion af brint til helium, som leverer energi til almindelige stjerner.

Energiproblemet blev understreget af, at der fra centret udsendes en enorm jet af gasser, som strækker sig mere end 200.000 lysår ud i rummet.

Når stof falder ind mod et sort hul, vil det danne en roterende skive omkring hullet. De inderste dele af skiven roterer rundt om hullet med en ret høj fart, der kan komme op på nær halvdelen af lysets hastighed. Noget af stoffet ender i det sorte hul, men der kan også ske det, at der dannes en jet vinkelret på skiven.

Fra sådan en jet udslynges enormt varme gasser med en fart, som er en pæn brøkdel af lysets hastighed – og det kræver helt ufattelig store mængder energi. Det må understreges, at alt det, vi ser, både stråling og gasjetter, kommer fra området lige uden for begivenhedshorisonten, altså før stoffet opsluges af det sorte hul

Der var kun en mulig løsning på energiproblemet, nemlig den energi som frigøres, når stof falder ind mod et sort hul. Ved denne proces kan op til 40 procent af massen omdannes til energi, sammenlignet med at fusion af brint til helium kun omdanner 0,7 procent af massen til energi.

Kvasarer blev opdaget

3C 273 var kun begyndelsen. Man opdagede hurtigt mange andre radiokilder af nogenlunde samme type med det fællestræk, at en meget stor mængde af energi kommer fra et meget lille område, undertiden ikke meget større end vores eget solsystem. Disse radiokilder fik navnet kvasarer.

Navnet er en sammentrækning af ’Kvasi stellart Objekt’, altså noget som i et teleskop ligner en stjerne, men som ved en nøjere undersøgelse viser sig at være noget helt andet.

Fælles for kvasarerne er, at de er meget langt borte. Lyset fra en kvasar har typisk været flere milliarder år om at komme ned til os, så kvasarerne har været almindelige i det unge univers.

I dag spekulerer man over, om de fleste galakser – herunder vores egen Mælkevej – i deres ungdom har gennemgået en ’kvasar-fase’ med et ekstremt aktivt sort hul.

Vi må i hvert fald siges at være heldige, at det sorte hul i Mælkevejen i hvert fald for tiden ser ud til at være ret fredeligt, selv om der er tegn på, at hullet engang har været meget mere aktivt, end det er nu.

Man har nemlig opdaget to enorme ’bobler’ af gas på hver sin side af Mælkevejen, som sandsynligvis stammer fra det sorte hul. Disse bobler kaldes under et for Fermi-bobler.

Hvor store er hullerne?

Den første opgave var nu at skønne over størrelsen af de sorte huller i galaksernes centre. Det var ikke svært, fordi mange kvasarers lysudsendelse ofte varierede ganske hurtigt, fra timer til dage eller uger. Det betyder, at energien må komme fra et meget lille område, og det skyldes lysets hastighed.

Ser vi nemlig på et energiproducerende område med en diameter på 1 lysår, så kan lyset fra området ikke variere med kortere tid end et år.

Tænker vi os nemlig at er udsendes et lysglimt fra området, så vil det lys, som udsendes fra den side, som er nærmest os, ankomme et år før lyset fra den side, som er længst borte.

Lysglimtet spredes således ud over et år, og fra et sådant område kan lyset derfor ikke variere væsentligt på meget kortere tid som et par uger.

Hvis energien kommer fra sorte huller, kunne man skønne, at mange af disse huller ikke var meget større end vores solsystem, fordi lyset fra kvasarerne varierede ret hurtigt.

En variationstid på en uge ville give en diameter på det sorte hul til en lysuge, svarende til 14 gange Solsystemets størrelse ud til Pluto. Men man ville gerne have et skøn, der mere præcist kunne give hullets masse.

Det blev gjort ved at udnytte noget som kaldes 'Eddingtons Grænse'. Det er korrekt, at der frigøres energi, når stof falder ind mod et sort hul, men der er en grænse for, hvor hurtigt hullet kan opsluge stoffet.

For ved faldet ind opvarmes gassen så meget, at den begynder at lyse helt enormt. Det lys skaber et udadrettet tryk, som til sidst bliver så stort, at gassen blæses væk i stedet for at blive opslugt.

Uden at komme ind på selve formlen, så kan vi se på kvasaren 3C 273, der udsender 30 billioner gange så meget lys som Solen. Kommer dette lys fra et centralt sort hul, som absorberer stof, så siger Eddingtons formel, at hullet har en masse på mindst en milliard gange Solens masse – men at det godt kan være større. De nyeste målinger bekræfter dette skøn.

Eddingtons formel kan kun bruges til et skøn, men det var det første spor af, at der var supermassive sorte huller allerede i universets barndom.

I dag ved astronomerne, at næsten alle galakser har et sort hul i centret, og at der er en sammenhæng mellem centrets størrelse og massen af det sorte hul. I runde tal har det sorte hul typisk en masse på omkring 1/1.000 af centrets masse.

Denne sammenhæng er et stærkt tegn på, at galaksen og det centrale sorte hul har udviklet sig sammen, så hul og galakse er stort set lige gamle.

Det efterlader dog et meget stort spørgsmål om hvad der kom først, stjerner og galakser eller sorte huller – et problem som stadig er uløst.

Store og små huller

Vi har forholdsvis små sorte huller som i vores Mælkevej, og supermassive sorte huller som det i M87. Så spørgsmålet er, hvilken rolle de centrale sorte huller spiller for en galakse.

Meget store sorte huller kan være ødelæggende for en galakse, fordi de kan udslynge meget kraftige jetter af gas. Når disse jetter rammer gassen i galaksen, så sker der en så stærk opvarmning, at stjernedannelse forhindres. Det passer med, at vi kender meget store galakser med en lille eller slet ingen dannelse af nye stjerner.

Små sorte huller er ikke helt så voldsomme, og de kan måske ligefrem hjælpe stjernedannelsen i galaksen, og det er bekræftet af en helt ny opdagelse fra Hubbleteleskopet.

Det drejer sig om en lille dværggalakse Henize 2-10, bare 30 millioner lysår borte, som har en høj dannelse af nye stjerner. Det centrale sorte hul har en masse på omring en million solmasser, og er dermed kun ¼ så stort som Mælkevejens sorte hul.

Her har Hubble fundet en gasjet, der udgår fra det sorte hul, og som rammer ind i den omgivende gas omkring 230 lysår borte.

Det er åbenbart en meget fredelig jet, for i stedet for at skabe så meget varme og uro, at stjerner ikke kunne dannes, så sker her lige det modsatte: Gasjetten er helt klart arnestedet for dannelse af nye stjerner.

Så åbenbart kan sorte huller både hjælpe og forhindre dannelsen af nye stjerner. Hvad vi ikke ved er, hvor grænsen går, og om der er tale om en fast regel. Så der er stadig tale om mange uløste problemer.