Sorte huller: Forsker fra SDU har måske fundet opskriften til at måle Hawkings stråling

Blandt alle universets fænomener er sorte huller de mest fascinerende og forunderlige. I dag er langt de fleste astronomer overbeviste om, at sorte huller findes, men vi ved ikke så meget om dem.

Det vil professor Francesco Sannino fra Quantum Field Theory Centre på Institut for Matematik og Datalogi ved Syddansk Universitet (SDU) lave om på.

Sammen med to andre teoretiske fysikere har han netop fået udgivet en videnskabelig artikel, der beskriver, hvordan det er muligt at måle den såkaldte Hawking-stråling fra små sorte huller, der i princippet kan opstå i kølvandet fra større sorte huller, der kolliderer.

»Det ville være fantastisk, hvis det kunne lykkes at måle Hawking-stråling. Så ville vi vide, at strålingen findes, og at sorte huller har en begivenhedshorisont,« siger Francesco Sannino.

Begivenhedshorisonten er grænsen mellem det sorte hul og resten af universet. Krydser man først denne grænse, er der ingen vej tilbage.

Stråling dannes omkring det sorte hul

Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori opstår et sort hul, når koncentrationen af masse - eller mere generelt energi - bliver så stor, at det medfører en ekstrem krumning af rum og tid.

Det kan virke sært, at der kan komme stråling fra sorte huller. De er ellers kendt for, at intet kan undslippe dem, ikke engang lyset.

Men i 1974 udviklede den britiske teoretiske fysiker Stephen Hawking en teori for, hvordan sorte huller kan udsende stråling, der vel at mærke ikke kommer fra selve det sorte hul, men i stedet fra dets nærmeste omgivelser.

Hawking undersøgte, hvordan det tomme rum omkring et sort hul opfører sig, når man inkluderer kvantemekaniske effekter.

Ifølge kvantemekanikken er det tomme rum nemlig ikke helt tomt. Hvis man går helt tæt på, syder og bobler det af partikler, der kun eksisterer i ufattelig kort tid, før de forsvinder igen – såkaldte virtuelle partikler.

Hawking fandt ud af, at nogle af disse virtuelle partikler– mest fotoner – kan undslippe som stråling. Når det sker, bliver det sorte hul en smule mindre. Det siges at fordampe.

I de fem årtier, der er gået siden, Stephen Hawking fremlagde sin teori, er det dog ikke lykkedes at måle Hawking-stråling.

De sorte huller, der dannes, når en meget stor stjerne løber tør for brændstof og eksploderer som en supernova, er mange kilometer i diameter. Sorte huller af den kaliber udsender ekstrem svag Hawking-stråling, som er fuldstændig umulig at opfange.

Målbar Hawking-stråling kræver bittesmå sorte huller

Måske er der alligevel håb om at måle strålingen. Det kræver blot en masse sorte huller, der er meget mindre end dem, vi kender til i dag. Jo mindre sort hul, desto kraftigere bliver Hawking-strålingen nemlig.

Idéen fra Francesco Sannino og kollegerne er kort sagt, at bittesmå sorte huller måske dannes i den turbulens, der forårsages af sammenstødet mellem to større sorte huller.

Små sorte huller fordamper langt hurtigere end store sorte huller under udsendelse af meget energirig stråling kaldet gammastråling. Og den gammastråling kan opfanges af teleskoper i rummet eller på landjorden.

Teorien kræver turbulens

Forskerne ved allerede, at sorte huller ind imellem smelter sammen, for når det sker, udsender de krusninger i rumtiden kaldet tyngdebølger. De kan måles af enorme detektorer, der nu er så følsomme, at der opfanges tyngdebølger et par gange om ugen.

Når to sorte huller støder sammen, dannes der et større sort hul.

Det helt store spørgsmål er så, om der undervejs også dannes små sorte huller under sammenstødet. Som småstykker eller fragmenter, der kastes af de større sorte huller i det kaos, der opstår i processen.

Det svarer omtrent til de små strømhvirvler, der kan opstå, når to store hvirvler støder sammen og giver turbulens i havet eller i atmosfæren.

»Vi påstår ikke, at der dannes fragmenter. Vi siger, at hvis der dannes fragmenter, kan vi måle det eksperimentelt. Det er spændende, for det er den eneste chance, vi har for at undersøge Hawking-stråling,« siger Francesco Sannino.

Kan sorte huller afgive fragmenter?

Nogle fysikere er skeptiske, blandt andre professor Vitor Cardoso fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, der forsker i fysikken omkring sorte huller.

»Artiklen er baseret på antagelsen om, at der dannes fragmenter, når sorte huller smelter sammen. Men der argumenteres ikke i dybden for, hvordan dette kan ske,« skriver han til Videnskab.dk.

»Det forholder sig sådan, at klassisk generel relativitetsteori forbyder fragmenter af sorte huller,« fortsætter han.

»Således er den præmis, som artiklen er baseret på, efter min mening ubegrundet. Vi tillader formodninger i videnskaben, men de bør have rimelig støtte eller mulighed for at være gyldige. Jeg mener ikke, at dette er et sådant eksempel.«

Nu går jagten ind

Til kritikerne siger Francesco Sannino, at det rent teoretisk ikke kan udelukkes, at der opstår små sorte huller ved sammenstødet af større huller:

»Vi har brugt et år tid på at undersøge, om der er teoretiske argumenter for, at fragmenter ikke kan opstå, men vi har ikke fundet nogle. Og vi siger blot, at det er en logisk mulighed, at der kan være målbar Hawking-stråling udsendt på en måde, der ikke er undersøgt før.«

Nu er SDU-forskerne i kontakt med forskere fra observatorier, der kan måle gammastrålingen fra det ydre rum. Det er observatorier som rumteleskopet Fermi og de jordbaserede teleskoper HAWC, HESS og LHAASO, som nu kan begynde at kigge efter den hypotetiske Hawking-stråling.

Hvis gammastrålingen opstår i turbulensen fra sorte huller, der smelter sammen, må strålingen komme fra samme retning som tyngdebølgerne fra de kolliderende sorte huller. Derfor skal målingerne fra gammadetektorerne rundt omkring i verden korreleres med målingerne af tyngdebølger.

På den måde kan forskerne finde ud af, om der kommer mere stråling i tiden efter sammensmeltningen af sorte huller, og om det kommer fra den samme retning som tyngdebølgerne.

»Jeg glæder mig over, at vores eksperimentelle kolleger nu begynder at lede efter strålingen. Selv hvis detektorerne ikke finder tegn på fragmenter, er det er skridt fremad, for så har vi bevist, at fragmenterne ikke findes,« slutter Francesco Sannino.