Hvorfor er der sorte huller i galaksernes centre?

Næsten alle galakser ser ud til at have et sort hul i centret – både mindre sorte huller, som i vores Mælkevej, og de gigantiske sorte huller med en masse på flere milliarder solmasser i større galakser.

Men hvorfor har galakserne disse sorte huller, og hvad kom først: Hullerne eller galakserne? Det er et af de store spørgsmål, der stadig diskuteres, og som er afgørende for vores forståelse af, hvordan galakser er opstået og har udviklet sig.

Men vi vil begynde med, hvordan astronomerne overhovedet opdagede, at i hvert fald nogle galakser indeholder sorte huller.

Kvasarer gav det første spor

Vi skal tilbage til 1950’erne, hvor radioastronomerne var begyndt at kortlægge himlen. Som ventet lignede himlen set med radiobølger slet ikke den himmel, vi kender.

Der var nogle mærkelige ’radiostjerner’, som udmærkede sig ved at udsende en kraftig radiostråling, som kunne variere temmelig hurtigt.

Man forsøgte at lede efter disse radiostjerner med store teleskoper, men alt, hvad man kunne se, var blot nogle svage stjerner som man ikke engang med sikkerhed kunne sige var kilden til radiostrålingen.

Det eneste man kunne sige var, at den hurtige variation af strålingen viste, at det område, som udsendte strålingen, var meget lille – i nogle tilfælde ikke meget større end vores solsystem.

Men de mystiske radiokilder fik et navn: ’Kvasi stellare radiokilder’. Kvasistellar betyder sådan set bare stjernelignende. Det blev så forenklet til ’Kvasi Stellart Objekt, eller bare kvasar. Det fine navn dækkede over en total uvidenhed om, hvad det var, man havde observeret.

Det første gennembrud kom i 1963, da det lykkedes at identificere radiokilden 3C 48 med en svag blå stjerne.

Det skabte imidlertid bare et endnu større mysterium: Man kunne simpelthen ikke tyde det spektrogram (en slags radioteleskopisk billede, red.) der blev taget af den blå stjerne, og var der noget, astronomerne mente at have styr på, så var det spektre – man forstod jo fysikken bag dem. De mørke linjer i spektrene viste hvilke grundstoffer stjernen indeholdt, og man var ret sikker på at kende alle naturens grundstoffer.

Det afgørende gennembrud kom i 1963, da den unge astronom Maarten Schmidt opdagede, at nogle af de linjer, man havde set i kvasaren 3C 273, var brintlinjer, som bare var rødforskudt så meget, at vi så brintlinjerne med meget større bølgelængder end dem, man måler i laboratoriet.

Ud fra rødforskydningen kunne man beregne afstanden til 3C 273 som viste sig at være 2,4 milliarder lysår – en meget større afstand end noget, man tidligere havde målt. Alligevel er radiostrålingen fra 3C 273 så kraftig, at kvasaren udsender 4 billioner gange så meget energi som Solen – og det er noget, ingen almindelig stjerne kan præstere. Energikilden måtte være noget helt andet.

De sorte huller kommer ind på scenen

Sorte huller var dengang et forholdsvist nyt begreb indenfor astronomien, men man kunne ikke være sikker på, at de var andet og mere end ren teori. Først i 1964 fandt man en røntgenkilde i vores vej, Cygnus X-1, hvor man med nogenlunde sikkerhed kunne sige, at vi havde opdaget et sort hul med en masse på omkring 20 gange Solens masse.

Men kvasarerne var i en helt anden liga. Efterhånden som man fandt flere kvasarer blev det klart, at de har nogle fællestræk:

• De er alle galakser med afstande på milliarder af lysår
• I centret af galaksen er en meget lille, men også utroligt stærk energikilde

Det sidste punkt var sporet, der førte til teorien om, at energikilden måtte være et sort hul, sandsynligvis med en masse på millioner eller måske milliarder af solmasser. For kun et sort hul kan skabe en tilstrækkelig kraftig energi.

Ved almindelig fusion, hvor brint omdannes til helium, bliver 0,7% af massen til energi, hvilket er nok for almindelige stjerner som Solen. Men ved et kollaps, hvor der dannes et sort hul, kan mellem 6 og 32 procent af massen omdannes til energi.

Energien frigøres, når stof falder ind mod det sorte hul og ender i en hurtigt roterende skive omkring hullet. Herved opvarmes stoffet, og det udsender en meget kraftig røntgenstråling.

Det var nogle fantastiske billeder af kvasarer, taget med radioteleskoper, der gav det endelige bevis på, at det, der driver en kvasar, er et enormt sort hul. For fra selve galaksen så man ofte to enorme jetter med en længde på over 100.000 lysår.

Disse jetter er stof, der udslynges vinkelret på den roterende skive med en fart nær lysets hastighed. Beregninger viste, at det netop er noget, man kan forvente fra den skive af varme gasser, som med meget stor fart roterer omkring et sort hul.

Undertiden ender disse jetter i enorme skyer af varm, ioniseret gas, hvorfra der også kommer radiostråling. En overgang var disse kvasarbilleder næsten ikoniske i astronomien.

Sorte huller alle vegne

Som årene gik, fik man flere og flere gode observationer af galakser, så man blev klar over, at sorte huller ikke bare var noget man fandt i de fjerne og eksotiske kvasarer, men også i ganske almindelige galakser som vores egen Mælkevej.

I 1974 fandt man en stærk radiokilde i centret af Mælkevejen, og da man senere fandt nogle stjerner tæt på radiokilden, kunne man ud fra stjernernes bevægelser beregne, at der var samlet en masse på omkring 4 millioner gange Solens masse inden for et område mindre end vores solsystem. Det var et meget sikkert tegn på, at vi også har et sort hul i vores galakse, som dermed ligner det store flertal af galakser.

Den næste store opdagelse var, at der tilsyneladende er en sammenhæng mellem galaksens størrelse og størrelsen på det sorte hul i centret.

Den bedste forklaring er, at det sorte hul og galaksen har udviklet sig i takt med hinanden. De sorte huller i galaksecentre strækker sig fra 10.000 solmasser i en lille dværggalakse til kvasarernes supertunge sorte huller, hvor rekorden er nær de 20 milliarder solmasser.

Hønen eller ægget?

Vi er nu kommet frem til det centrale spørgsmål: Hvad kom først, det sorte hul eller galaksen? Det er et spørgsmål, der minder om det gamle tankeeksperiment om hønen og ægget.

Spørgsmålet er ikke helt afklaret, for der er argumenter på begge sider.

De sorte huller kom måske først…

Et vigtigt argument for denne teori er, at selv de ældste galakser, vi kender, ser ud til at rumme endda meget store sorte huller, og det betyder, at de sorte huller må være kommet meget tidligt i en galakses liv.

I dag anses kvasarer for at være kortvarig fase i begyndelsen af en galakses liv, og hvis det er sandt, er det svært at forklare, hvordan en nydannet galakse har kunnet samle stof nok sammen til at danne et supertungt sort hul. Men man kan jo forestille sig, at det sorte hul kom før selve galaksen.

Lige efter Big Bang var universet ikke ret stort og fyldt med gas, næsten udelukkende af brint og helium. Det var ideelle forhold til at danne de allerførste stjerner – og teoretiske beregninger viser, at disse stjerner har været meget større end de stjerner, vi kender i dag, med masser på måske op mod 1.000 gange Solens masse.

Astronomerne taler om såkaldte Population 3-stjerner. Det er den allerførste generation af stjerner i universet, og de er alle for længst forsvundet.

Senere kom Population 2-stjernerne, og Solen, som først er dannet 8 milliarder år efter Big Bang, er en tredje generationsstjerne, som hører til Population 1.

Population 3-stjernerne var så store, at de fik en meget kort levetid på et par millioner år, før de eksploderede som supernovaer, mens de centrale dele er kollapset til ret store sort huller.

Disse sorte huller kan godt være dannet før de første galakser, og det er også muligt, at sammenstød mellem de allerførste sorte huller har ført til dannelse af endnu større sorte huller. Med deres stærke tyngdekraft har hullerne så kunnet tiltrække gas, som så kunne være grundlaget for galaksedannelse, hvor gassen gradvist bliver til stjerner.

En anden mulighed er, at gassen ved universets begyndelse har været så tæt, at de første sorte huller er dannet ved et direkte kollaps af en stor gassky.

Men uanset hvordan de første sorte huller er dannet, så er der en teori om, at galakser dannes på én gang ud fra en enkelt gassky, styret af tyngdekraften fra et sort hul. Men man kan også tænke sig en anden teori, hvor galakser opbygges gradvist af mange små ’protogalakser’.

… men meget tyder på, at det var galakserne

Takket være Hubble-teleskopet har vi nu mange billeder af galakser, der er dannet kort efter Big Bang. Det er små, uregelmæssigt formede dværggalakser, som så gradvist har vokset sig større ved sammenstød.

I denne model er galakser altså opbygget af små stjernesamlinger, som gradvist har fundet sammen ved hjælp af tyngdekraften. Det er i den sammenhæng interessant at bemærke, at de ældste stjerner, vi kender i universet, er samlet i de såkaldte kuglehobe, der kan rumme op mod 100.000 stjerner.

Efterhånden som de små galakser voksede, fik de flere stjerner og dermed kom der også flere supernovaer, hvoraf nogle er blevet til sorte huller. Nogle af disse sorte huller er så endt inde ved centret, hvor der ved sammenstød gradvist er dannet de supertunge sorte huller, vi kender fra kvasarer.

Men der er det problem, at selv meget gamle galakser kan have overraskende store sorte huller, og det er svært at forklare, hvis de store huller opbygges gradvist sammen med galakserne. Et eksempel på et sådant stort sort hul, med en masse på 800 millioner gange Solens masse, kan du læse om i denne artikel fra 2017.

Teorien om, at galakser er opbygget gradvist og vokset ved sammenstød med andre galakser trods sådanne problemer, er i dag den førende teori for galaksedannelse. Teorien kan endda forklare, hvorfor der er en vis spredning i størrelsen af de sorte huller i galakserne.

Når to galakser hver med deres sorte hul støder sammen, kan de sorte huller fra hver galakse smelte sammen til et endnu større sort hul, men der kan også ske det, at det ene eller begge huller slynges helt bort.

En sådan proces kan forklare, hvor vi har et meget beskedent sort hul på kun 4 millioner solmasser, svarende til 0,01 % af Mælkevejens masse, mens vor nabogalakse Andromeda har et sort hul på over 100 millioner solmasser.

Det er muligt, at Mælkevejen engang har haft et større sort hul, som så er blevet sparket ud ved et sammenstød med en anden galakse.

I alle tilfælde er løsningen på gåden noget, der vil bringe os et stort skridt videre i astronomien. Her er der grund til at afvente de målinger, det kommende James Webb-teleskop kan foretage i det helt nydannede univers.