Sorte huller er et solidt bud på førstepladsen over naturens mest gådefulde objekter.
\ Spørg Videnskaben
Her kan du stille et spørgsmål til forskerne om alt fra prutter og sure tæer til nanorobotter og livets oprindelse.
Du kan spørge om alt – men vi elsker især de lidt skøre spørgsmål, der er opstået på baggrund af en nysgerrig undren.
Vi vælger de bedste spørgsmål og kvitterer med en Videnskab.dk-T-shirt.
Send dit spørgsmål til: sv@videnskab.dk
De findes overalt i universet, de kan veje en milliard gange mere end Solen, og selv planeter, stjerner og lyset kan ikke undslippe sorte huller, hvis de kommer i nærheden af dem.
Når sorte huller har denne evne til at opsluge alt, der er tæt på dem, betyder det så, at vi ser ind i en dyster fremtid, hvor sorte huller med tiden dominerer hele universet?
Kan vi sågar ende ud i et scenarie, hvor sorte huller til sidst har slugt alt stof i universet, så der kun er ét stort sort hul tilbage?
Det vil Videnskab.dk’s læser Michael gerne vide.
Derfor rejser vi i denne udgave af Spørg Videnskaben gennem ’ormehullet’ med to astrofysikere for at finde ud af, om vi kan finde en beroligende nyhed til Michael.
Men før vi kan svare på spørgsmålet, om sorte huller ville kunne opsluge hele universet, skal vi først have svar på, hvad der sker, når to sorte huller smelter sammen, samt hvilke typer kollisioner der findes.
Teorien bag sorte huller kan på én og samme tid virke både kompliceret og simpel. Derfor tager vi først et dyk ned i de seneste års forskning inden for sorte hullers kollisioner.
Opsigtsvækkende måling fra rummet
Indtil for få år siden var sorte huller særdeles svære at forske i, da de ikke udsender lys og af den grund er umulige at observere med teleskoper fra Jorden.
En anden grund til, at det har taget så lang tid at bevise deres eksistens, er, at universet er kæmpestort, og sorte huller er relativt små.
Hvis man for eksempel tager Solen og laver den om til et sort hul, ville dens radius være omkring tre kilometer.
Du kan læse mere om sorte hullers alsidige størrelser i artiklen ’Kunsten at veje et sort hul’.
Så hvordan mødes to så små størrelser i et gigantisk univers? Her spiller udsendelsen af såkaldte tyngdebølger, også kaldet gravitationsbølger, en helt central rolle.
\ Hvad er sorte huller?
Når stjerner ikke har mere materiale at brænde af, kollapser de under deres egen tyngdekraft og bliver til sorte huller.
Et sort hul er – sammenlignet med andre kosmiske legemer – meget småt.
Massen af sorte huller måles i solmasser, hvor en enkelt solmasse er massen (vægten) af vores egen Sol, som vejer cirka 1,99 billioner billioner ton (1,99×10^30 kg).
Små sorte huller i rummet er mellem 3 og cirka 100 solmasser.
De store, tunge sorte huller, som det i midten af vores galakse, vejer flere millioner solmasser. Det største sorte hul, man kender til, vejer omkring 10 milliarder solmasser.
Et sort hul er 6 kilometer i diameter per solmasse.
De blev observeret for første gang 14. september 2015, da LIGO-detektoren (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) registrerede tyngdebølger fra to kolliderende sorte huller, der begge var omkring 30 gange Solens masse.
Da forskerne fandt ud af, hvordan man kunne måle tyngdebølger fra sorte hullers kollisioner, begyndte udviklingen på området for alvor at få fart på, forklarer astrofysiker Johan Samsing:
»Teoretisk set har man i årtier vidst, at sorte huller kan smelte sammen, men det var først for omkring syv år siden, at man direkte så dette ske i virkeligheden. Det blev gjort muligt med hjælp fra to kilometerlange lasere, der kunne se disse bølger,« forklarer Johan Samsing, der er adjunkt ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet. Han fortsætter:
»Det var en kæmpe bedrift, da udsvinget kun er på størrelse med en atomkerne.«
Forklaringen på, hvordan små sorte huller finder hinanden via tyngdebølger, er relativt simpel:
Hvis man har to sorte huller, der er tæt på hinanden, men ikke er smeltet sammen endnu, vil de i deres bevægelse omkring hinanden udsende tyngdebølger og dermed energi.
En kosmisk »kvidren«
I takt med at tyngdebølgerne bliver udsendt, bliver de to sorte huller bragt tættere og tættere på hinanden.
\ Hvad er tyngdebølger?
- Tyndebølger bliver udløst, når ekstremt tunge legemer med gigantiske kræfter – så som to sorte huller – kolliderer med hinanden med en hastighed, som minder om lysets.
- Sorte hullers kollisioner er så kraftige, at tyngdebølgerne vibrerer gennem tid og rum gennem universet med lysets hastighed.
- Hvis to sorte huller på omkring 30 solmasser hver kolliderer, vil det efterfølgende sorte hul have en masse på lidt under 60 solmasser, da noget i massen omdannes til energi (tyngdebølger).
Kilde: Johan Samsing og Peter Laursen.
Nogle sorte huller vil kollidere gennem denne proces, mens andre er så langt fra hinanden, at de aldrig vil mødes.
Hvis to sorte huller kolliderer, er der stor sandsynlighed for, at det sammensatte sorte hul vil blive sendt langt ud af galaksen. Det skyldes den store udsending af tyngdebølger, der vil sende det sorte hul i den modsatte retning af, hvor tyngdebølgerne ryger hen.
Selvom selve kollisionen foregår på et splitsekund, tager det ufatteligt lang tid for sorte huller at hamre sammen, forklarer astrofysiker Peter Laursen:
»Alt efter hvor meget to kolliderende sorte huller vejer, kan man regne ud, hvor lang tid det tager for dem at smelte sammen. Her snakker vi om en periode på milliarder af år,« siger Peter Laursen, der er tilknyttet som akademisk medarbejder på Niels Bohr Institutet.
Den føromtalte kollision, der blev målt af LIGO i september 2015, varede eksempelvis en fraktion af et sekund. Sammenstødet var så kraftfuldt, at man kunne måle det på Jorden, godt 1,3 milliarder lysår borte.
LIGO-ingeniører konverterede efterfølgende tyngdebølgerne til lydbølger.
Den korte, gåsehudsfremkaldende lyd minder om en dråbe vand, der drypper ned i vasken, eller en fugls kvidren.
Hvilke typer af kollisioner findes der?
Det er vigtigt at forstå udfaldet af sorte hullers kollision, da det spiller en vigtig rolle for vores forståelse af, hvordan sorte huller rent faktisk skabes i universet.
Lige nu ved vi ikke, hvordan sorte huller vokser sig større og heller ikke, hvordan de skabes.
En måde, sorte huller kan vokse på, er ved at sluge en mængde gas.
Men hvordan kan de sorte huller, man observerer med en solmasse på 20 til 30, vokse sig hele vejen op til omkring 100 millioner gange Solens masse?
Det arbejder astrofysikerne på at regne ud ved at kigge på de kollisioner, som man har observeret indtil videre.
Siden den banebrydende observation har LIGO observeret omkring 100 kollisioner af sorte huller. De har haft forskellige masser, alt fra et par solmasser op til næsten 80 solmasser.
Små sorte huller i rummet vejer mellem 3 og cirka 100 solmasser.
Sorte huller kan også spinne, men deres spin ser også ud til at variere i hastighed, når de kolliderer.
Ud fra observationerne er man begyndt at gætte på, hvordan de sorte huller bliver dannet.
Der findes overordnet tre måder, man mener, de bliver dannet på:
- I binære stjerner.
- I kuglehobe.
- I gas-diske.Nedslag i sorte hullers historie
- I 1915 forudsagde fysikeren Albert Einstein teoretisk sorte hullers eksistens som følge af hans generelle relativitetsteori.
- I 1965 beskrev den engelske matematiker Roger Penrose, hvordan sorte huller er en direkte konsekvens af Albert Einsteins teori.
- I 2015 målte astrofysikere for første gang tyngdebølger, hvilket endegyldigt bekræftede sorte hullers eksistens.
- 19. april 2019 offentliggjorde forskere for første gang nogensinde et billede af et sort hul. Du kan læse mere om den gigantiske indsats for at få det til at lykkes her.
- 2. september 2020 opdagede astronomer ‘GW190521’, der til dato er den største kollision, der er blevet registreret. De to sorte huller havde en solmasse på henholdvis 85 og 66 og resulterede i et sort hul på 142 solmasser.
Lad os gennemgå dem en for en.
Binære stjerner
Binære stjerner er stjerner, der tilfældigvis er dannet tæt på hinanden. Hvis man ser med et teleskop på stjernehimlen, vil man kunne se, at godt halvdelen af stjernerne i Mælkevejen er binære stjerner. Det vil sige to stjerner, der kredser rundt om hinanden.
Hvis begge binære stjerner udvikler sig og bliver til to sorte huller, kan det ske, at de er tæt nok på hinanden til, at de kolliderer inden for universets levetid. Det kræver som nævnt, at udsendelsen af tyngdebølger bringer dem tilstrækkeligt tæt på hinanden.
Kuglehobe
Mælkevejen har omkring 150 kuglehobe, der er koncentrerede samlinger af stjerner, hvor der er flere end 100.000 stjerner inden for et meget lille område. Hvor der er stjerner, regner man også med, at der er sorte huller, i og med at sorte huller bliver skabt som resultat af udviklingen af stjerner.
Det er svært at observere, men der er indikationer af, at der er flere af disse kuglehobe, der har sorte huller i sig. Hvis der findes sorte huller i dem, vil de sorte huller falde ind i midten af disse kuglehobe.
Det sker, fordi sorte huller er meget tungere end stjernerne. Grundet deres (mangel på) vægt vil stjernerne falde ind mod midten.
Derinde findes mellem 10 og 1000 sorte huller, som vekselvirker med hinanden inde i midten og nærmest skaber en hob af sorte huller helt inde i midten.
Man kan regne ud, at der er en vis sandsynlighed for, at to sorte huller simpelthen møder hinanden, danner et par og så kolliderer grundet massefylden i midten.
Gas-diske
Den tredje teori er endnu ikke observeret, men den bliver diskuteret flittigt i astrofysikernes kredse. Omkring supermassive sorte huller findes der gas-diske, der er roterende, cirkelformede legemer bestående af tung gas.
Disse gas-diske kan indfange sorte huller, som passerer igennem dem.
Gassen og den store tyngdekræft, der kommer fra det store sorte hul i midten, holder fast på alle de sorte huller. Det bringer dem langsomt tættere på hinanden inde i midten.
»Gassen udøver en form for modstand for disse sorte huller. Man kan sammenligne det med følelsen af at cykle i modvind. Så chancen for, at to sorte huller møder hinanden i disse gas-diske, er relativt høj,« fortæller Johan Samsing.
Er ét stort, dominerende sort hul realistisk?
Forskere i sorte huller kan ved hjælp af matematiske modeller regne ud, at der foregår mellem 100.000 og 1.000.000 kollisioner hvert eneste år.
Samtidig kan astrofysikere allerede se, at sorte huller dominerer i nogle områder i universet.
Inde i midten af vores galakse har man for eksempel et såkaldt supermassivt sort hul, der er omkring 10 til 100 millioner gange Solens masse.
Det er sandsynligvis begyndt som et ganske lille sort hul, der har vokset sig større og større.
Mange af de sorte huller, man kender til, vil også vokse sig større og større.
Men bare rolig!
Du skal ikke være bange for, at universet bliver til ét stort sort hul.
Johan Samsing og Peter Laursen kan berolige Michael og alle andre med, at det store massive sorte hul i midten af Mælkevejen og andre sorte huller i fjerne galakser ikke er ved at suge Jorden til sig, mens du læser denne artikel.
Man skal nemlig huske på en række ting, fortæller Johan Samsing:
»Sorte huller suger ikke ting til sig, selvom science fiction-film måske har været med til at plante den idé i hovedet på folk. Sorte huller opfører sig som et hvilket som helst andet objekt med den samme masse. Sorte huller er bare meget, meget mindre,« siger han og føjer til:
»Hvis man for eksempel satte et sort hul ind på Solens plads, med den præcis samme masse som Solen, ville der ikke ske noget som helst. Der ville være fuldstændig sort på himlen efter 10 minutter, men der ville ikke ske noget ud over det. Planeterne ville være i de præcis samme baner. Men det er rigtigt, at når man kommer meget, meget tæt på et sort hul, er det umuligt at komme væk.«
I princippet kan der komme et sort hul tæt på Jorden, fortæller astrofysikerne. Men her taler vi om en tidsskala, der er så langt ude i fremtiden, at vi ikke aner, hvordan universet ser ud på det tidspunkt.
Vi taler altså om mange milliarder år. Til den tid vil der formentlig ske helt andre ting med vores univers.
For endelig at svare på Michaels spørgsmål står vi derfor ikke over for en nær fremtid, hvor sorte huller dominerer universet.
Der kan dog samle sig lokale hobe af sorte huller i vores og andre galakser.
En tak til Michael
Vi siger tak til Michael for hans gode spørgsmål, der kvitteres med en Videnskab.dk-T-shirt.
Hvis du sidder inde med et spørgsmål, der kræver en videnskabelig forklaring, kan du skrive til os på sv@videnskab.dk.
Så prøver vi at finde en til flere forskere, der kan svare på det.
\ Læs mere
\ Et forskningsområde i rivende udvikling!
Siden man for syv år siden for første gang hørte ‘lyden’ af to sorte huller, der kolliderer, er det gået stærkt på forskningsområdet inden for sorte huller.
Hvis man ser et til to årtier ud i fremtiden, er det svært ikke at blive begejstret. For der er potentiale til, at astrofysikerne kan gøre sig nogle vilde opdagelser.
Johan Samsing fortæller, at ingeniører i øjeblikket er ved at bygge såkaldte tredjegenerationsgravitationsbølge-observatorier, der er så sensitive og avancerede, at man vil kunne se hver eneste kollision af sorte huller i det observerbare univers.
»Det er fuldstændig vildt,« fortæller Johan Samsing , der til dagligt arbejder med at forstå, hvordan sorte huller kolliderer i gas-diske og i kuglehobe.
For eksempel sidder han og regner på modeller, der udforsker, hvad der sker, hvis man putter 100 til 1000 sorte huller ind på et meget lille område.
»Vi kan regne ud, at der foregår mellem 100.000 til 1.000.000 kollisioner hvert eneste år. Med observatorierne kommer vi til at kunne få et helt andet indblik. Lige nu observerer vi ting, der foregår meget tæt på os. Det er også derfor, at raten af antallet af observerede kollisioner om året i øjeblikket er på omkring 100. Det er, fordi vi ikke kan se særligt langt væk«.
Observatorierne vil formentlig være funktionsdygtige om 15 til 20 år.
