Sorte huller: Hvad ved vi egentlig om dem – og hvordan spotter vi dem?

Sorte huller burde jo være sorte, men Videnskab.dk har bragt en historie om et sort hul, der udsender en kraftig strøm af partikler, eller en såkaldt 'jet'.

Den kan læses her.

Det kan lyde mærkeligt, når et sort hul netop er defineret ved, at det har så stærk en tyngdekraft, at hverken lys eller partikler kan undslippe, så de burde jo være fuldstændig sorte og dermed ganske usynlige.

I sjældne tilfælde kan vi direkte observere et sort hul, fordi det opsluger stof. De partikler og den stråling, vi ser, kommer dog ikke fra selve hullet, men fra stof, der er på vej ind i hullet. Det var netop tilfældet med de jetter , der blev omtalt i historien om billedet af sorte jul, der udskød en kraftig strøm af partikler.

Men tilbage er så alle de tilfælde, hvor sorte huller faktisk er helt sorte. De har hidtil gemt sig godt, men en ny metode gør det muligt at finde dem alligevel.

Men inden vi ser på den, kommer her en kort gennemgang af de metoder, vi hidtil har anvendt til at finde og studere sorte huller – og hvor man blandt andet har gjort brug af, at sorte huller ikke altid er sorte.

Når sorte huller lyser

Det er korrekt, at lys ikke kan undslippe et sort hul, men nogle sorte huller befinder sig så tæt på enten en stor sky af gas eller en anden stjerne, at hullet med sin stærke tyngdekraft kan suge stof til sig.

Når stoffet nærmer sig det sorte hul, bliver det spredt ud i en skive, der med enorm hastighed kredser omkring hullet, men stadig uden for den såkaldte begivenhedshorisont, der markerer grænsen mellem hullet og resten af universet.

Når først stoffet er kommet inden for begivenhedshorisonten, så ser vi ikke mere til det, men inden da er det blevet presset så meget sammen og varmet så meget op, at det kan udsende en ganske kraftig stråling – og på en endnu ukendt måde også udslynge jetter af partikler.

Så når vi modtager stråling fra et sort hul, kommer strålingen altså ikke fra selve hullet, men fra et område lige uden for hullet. Dette er baggrunden for den første af de ’klassiske’ metoder til at observere sorte huller.

For at denne metode kan anvendes, skal en af to betingelser være opfyldt:

• Det sorte hul skal befinde sig i et område med meget gas. Denne betingelse er især opfyldt i centret af galakser. Det er derfor ikke noget tilfælde, at de to første sorte huller, som det er lykkedes at tage billeder af, begge befinder sig i centret for en galakse, nemlig galaksen M87 og vores egen Mælkevej.
• Det sorte hul skal være en del af en dobbeltstjerne, så det har mulighed for at ’stjæle’ stof fra den anden stjerne.

Desværre betyder det, at al vores viden om sorte huller stammer fra en ganske sjælden type huller, som måske ikke er repræsentativ for alle de mange sorte huller, der ikke larmer op ved at opsluge stof og derved – i hvert fald i en kort periode – kan blive nogle af de mest lysende objekter i universet.

Men metoden kan ikke anvendes på de mange millioner af mindre sorte huller, som, man mener, bare driver omkring i Mælkevejen langt fra stjerner og skyer af gas.

Andre metoder til at finde sorte huller

Men der er også andre måder at finde sorte huller på, og det er det sorte hul i Mælkevejens centrum et eksempel på.

Længe før man fotograferede det sorte hul, blev man nemlig klar over dets eksistens, fordi man fandt nogle stjerner, der bevæger sig rundt om centret på en måde, der viste, at de blev holdt fast i deres baner af en tyngdekraft fra en usynlig masse på fire millioner gange Solens masse.

Massen var samlet sammen i et så lille område, at den eneste forklaring var et sort hul.

Endelig kan man udnytte, at når to sorte huller nærmer sig hinanden og ender med at kollidere, så udsendes der tyngdebølger - svingninger i rum og tid.

Det blev første gang observeret i 2016, men metoden har to store begrænsninger:

• Kollisioner mellem sorte huller er et sjældent fænomen.
• De tyngdebølger, der udsendes, er meget vanskelige at observere – i hvert fald med den teknik vi har i dag.

Men det var først i 2022, at man første gang observerede et ’ægte’ sort hul, der ikke udsender stråling af nogen art.

En sådan observation har stået højt på astronomernes ønskeliste, fordi vi til dato kun har observeret omkring et dusin sorte huller i Mælkevejen, selv om tallet teoretisk er skønnet til omkring 100 millioner.

Einstein viser os et 'ægte' sort hul

Den første observation af et ’ægte’ sort hul blev foretaget i juli 2022. Det skete, da et hold astronomer under ledelse af Kailash Sahu brugte Hubble-teleskopet på en helt ny måde.

Det hul, han fandt, befinder sig omkring 5.200 lysår borte og har en masse på omkring syv gange Solens masse.

Det sorte hul blev observeret med en metode, der kaldes 'microlensing', og som er baseret på Einsteins almene relativitetsteori. Her udnytter man, at tyngdekraft kan afbøje lys og derved komme til at virke som en linse, der kan koncentrere lyset fra fjerne stjerner – og sorte huller er jo netop kendetegnet ved en stærk tyngdekraft.

Hvis et sort hul passerer hen foran en fjern stjerne, kan det føre til, at man pludselig observerer, at stjernen pludselig bliver stærkere, fordi lyset fra stjernen afbøjes af tyngdefeltet fra det sorte hul. Lysstyrken falder igen, når det sorte hul har flyttet sig så meget, at lyset fra stjernen ikke længere passerer tæt forbi hullet.

Hvis hullet har en stor masse, så kan det krumme rummet ud til en betydelig afstand, og det betyder, at stjernen ses med forøget lysstyrke i lang tid.

Det sorte hul fra 2022 blev netop opdaget ved, at en stjerne pludselig begyndte at lyse stærkere uden nogen påviselig grund. Det blev observeret allerede 2011-2012, og man gættede hurtigt på, at forklaringen måtte være, at vi så virkningen af en såkaldt gravitationslinse skabt af et sort hul.

Alligevel skulle der gå mere end ti år, før Sahu fortalte om opdagelsen. Som vi skal se, var der en god grund til den lange ventetid.

Den lange vej fra observation til artikel

De første målinger blev foretaget af observatorier i Chile og New Zealand og blev senere suppleret af en række andre observatorier.

Man blev så klar over, at den voldsomme opblussen varede godt en uge, men at man kunne måle en forøget lysstyrke af stjernen i næsten ni måneder.

Disse data viste, at hvis stjernen var blusset op på grund af linseeffekten fra et sort hul, så måtte hullets masse være stor.

Men der manglede en meget vigtig og meget vanskelig måling. Teoretisk var det nemlig muligt, at den opblussen, vi så, slet ikke kom fra et sort hul, men skyldes linseeffekten fra en mindre stjerne, som bare passerede langsomt hen foran den stjerne, man observerede.

For at bekræfte, at linseeffekten skyldes et sort hul og ikke en lille rød dværgstjerne, måtte man se på, om fjerne baggrundsstjerner flyttede sig på himlen.

Dette blev første gang observeret under en solformørkelse i 1919, bare fire år efter Einstein havde fremsat sin almene relativitetsteori i 1915, hvor han forudsagde denne effekt.

Men her taler vi ikke om vores egen sol, men om stjerner tusinder af lysår borte. At undersøge, om de virkelig flyttede sig en smule på himlen, var noget af en udfordring.

Det tog seks år at foretage målingerne, og takket være Hubble-teleskopet lykkedes det også at finde nogle meget, meget små flytninger. Den største flytning, man målte af en stjerne, var på bare 0,5 mikrograder – til sammenligning kan nævnes, at Månen fylder en halv grad på himlen.

Man var nu sikker på, at stjernens opblussen skyldes en linseeffekt fra en masse større end Solen. En normal stjerne med en masse på omkring syv solmasser vil lyse så stærkt, at den havde været let at observere. Men da man intet fandt, kunne man konkludere, at den masse, man ledte efter, måtte være et sort hul, som virkelig var sort.

Det næste skridt

Nu har vi metoden, men den er ikke let at bruge, alene af den grund at målingerne kræver en så høj præcision, at de skal udføres fra rummet. Men der er håb forude.

I 2027 skal det infrarøde Nancy Grace Roman teleskop opsendes, og det får et så stort synsfelt, at det virkelig kan kortlægge himlen og holde øje med stjerner, der uventet blusser op.

Man vil få masser af data, men til den tid vil i hvert fald den indledende analyse nok foretages af en kunstig intelligens. Der findes simpelthen ikke astronomer nok i verden til at pløje sig manuelt gennem disse bunker af data.

Det, man håber, er for første gang at få en oversigt over masserne af de sorte huller, og det vil kræve mange hundrede målinger og ikke bare den håndfuld data, vi har i dag.

I dag kender vi meget store sorte huller med masser på millioner af solmasser og nogle få små sorte huller i dobbeltstjerner med masser på 5-20 gange Solens masse.

Der er et enormt spring fra de ’små’ sorte huller til giganterne i galaksecentre, og hvordan masserne fordeler sig i dette enorme interval, ved vi ikke. Findes der således sorte huller med masser på nogle hundrede eller nogle tusinde solmasser, og hvordan er de så skabt?

'Microlensing' kan også bruges til at finde exoplaneter, der kredser om sorte huller. Metoden er den samme, som bruges til at finde exoplaneter, der kredser om almindelige stjerner, og som er omtalt i artiklen De fremmedartede exoplaneter.

Vi må her skelne mellem to muligheder:

• Planeter, som er dannet på normal vis omkring en almindelig stjerne, og som derefter er indfanget af et sort hul
• Planeter, som er dannet omkring et sort hul

Hvis Solen skulle gå hen og blive et sort hul, er der teoretisk intet i vejen for, at Solsystemets planeter kunne kredse om dette sorte hul. Men det er ren teori, for Solen er for lille til at blive til supernova, hvor det sorte hul dannes ved, at centret af stjernen kollapser enten til et sort hul eller en neutronstjerne.

Vores sol vil ende sine dage mere fredeligt, nemlig som en hvid dværg på størrelse med Jorden – men det ligger fem milliarder år ude i fremtiden.

De stjerner, der bliver til supernovaer, er de sjældne, meget store stjerner, med masser på 10-20 gange Solens masse. Hvis en sådan stjerne har et planetsystem, så vil de planeter, som er nærmest stjernen, sandsynligvis fordampe fuldstændigt, når stjernen eksploderer som supernova, mens planeter længere borte sandsynligvis kan overleve.

Man har nemlig fundet exoplaneter, der kredser om neutronstjerner og dermed enten har overlevet en supernovaeksplosion eller er blevet dannet efter eksplosionen.

Denne opdagelse er begrundelsen for, at man ikke kan afvise muligheden for også at finde planeter, der kredser om et sort hul. Disse planeter blev dannet, da stjernen var en strålende klar sol på himlen, men de ender deres dage i dybt mørke med at med kredse omring et sort hul.

I 2019 konkluderede et hold af japanske astronomer fra Kagoshima Universitetet, at det under særlige omstændigheder også var muligt for planeter at dannes omkring et sort hul. Det vil kunne ske omkring meget store sorte huller med en masse på mange millioner, måske milliarder af solmasser – netop den type huller, man finder i galaksecentre, og som lyser, fordi de opsluger gas.

Denne type planeter har allerede fået øgenavnet ’Blanets’ for Black Hole Planets, selvom man endnu ikke har fundet nogen.

Universet er mærkeligere, end vi kan forestille os

På den negative side så kan strålingen fra et sådan supermassivt sort hul være så stærk, at der simpelthen ikke kan dannes noget som helst tæt på hullets begivenhedshorisont.

Desuden hvirvler gas og støv så tæt på det sorte hul rundt om hullet med en fart tæt på lysets hastighed, og under sådanne forhold er det umuligt for støvpartikler at klumpe sig sammen og danne planeter.

Vi skal måske flere lysår væk fra det sorte hul, før støvpartiklerne bevæger sig så langsomt – under 300 km/timen – at de kan klumpe sig sammen og danne planeter.

De virkelig store sorte huller er også omgivet af enorme skiver af støv og gas, som har en udstrækning på flere lysår, så der skulle ikke være noget i vejen for, at der selv i denne store afstand fra det sorte hul vil være gas og støv nok til at danne planeter.

Herude er temperaturen desuden er så lav, at der kan dannes is, så hvis der også kan dannes planeter, er der måske er mulighed for liv. Nu skal der mere end vand til at skabe liv – det er også nødvendigt med en energikilde.

På den ene side er det nødvendigt at afskærme planeten fra den enormt kraftige stråling, der opstår, når stof falder ind i hullet, men de tætte støv og gasskyer, som omgiver hullet, giver en ganske god afskærmning, især når man befinder sig flere lysår borte.

Der er fremsat en teori om, at baggrundsstrålingen fra Big Bang, som vi observerer i mikrobølgeområdet, ved en temperatur på bare 2,7 grader over det absolutte nulpunkt, får så meget ekstra energi ved ’at falde ned’ mod et sort hul, at den bliver blåforskudt til kortere bølgelængder. De er mere livsvenlige og kan derved få det sorte hul til at ligne en slags sol. Man kan læse mere om denne noget spekulative teori her.

Alene det, at man nu seriøst taler om planeter, der kredser om sorte huller, understreger gyldigheden af, hvad den engelske biolog J.B.S. Haldane skrev i 1927, altså for snart 100 år siden:

»Now, my own suspicion is that the universe is not only queerer than we suppose, but queerer than we can suppose…« (»Universet er ikke bare mærkeligere, end vi forestiller os, men mærkeligere, end vi kan forestille os...«).