Af alle kræfter, som findes i fysikkens verden er der stadigvæk en, vi ikke forstår: Tyngdekraften.
I tyngdekraften mødes fundamental fysik og astronomi, og det er også her, de to mest fundamentale teorier om verden – nemlig kvanteteorien og Einsteins teori om rumtid og tyngdekraft (også kendt som den generelle eller almene relativitetsteori) – er direkte uenige.
De to teorier synes uforenelige. Og for det meste er det ikke noget problem. De lever nemlig i to forskellige verdener, hvor kvantefysikken beskriver universets allermindste bestanddele, og relativitetsteorien beskriver universet på en kæmpe skala.
Det er først, når man ser på meget små bestanddele og ekstrem tyngdekraft, at de to teorier kolliderer, for på en eller anden måde tager den ene teori altid fejl – i hvert fald i teorien.
Der er dog et sted i universet, hvor vi rent faktisk vil kunne observere dette problem og måske endda løse det: På kanten af et sort hul. Her finder vi nemlig den mest ekstreme tyngdekraft.
Der er bare et problem – ingen har nogensinde set et sort hul.
\ Læs mere
Hvad er et sort hul?
Tyngdekraften styrer universet, men måske er det slet ikke en kraft i traditionel forstand.
Einstein beskrev tyngdekraften som en konsekvens af rumtidens krumning, men måske passer teorien ganske enkelt ikke ind i partikelfysikkens standardmodel.
Når en stor, tung stjerne har opbrugt al brændstof, vil den dø i en gigantisk eksplosion.
Energien fra stjernens indre fusionsprocesser, som før opretholdt stjernen ved at modvirke tyngdekraften, forsvinder med et, og stjernens inderste bestanddele vil kollapse under dens egen tyngde.
\ Tema: Big Bang og galakser
I dette tema bringer Forskerzonen fem artikler, der hver især beskæftiger sig med grundlæggende ting i universet.
Vi kommer bl.a. omkring universets skabelse, dværg- og spiralgalakser, mørkt stof, galaktiske bjælker samt hvordan galakser fødes og dør.
Lige med et føles tyngdekraften som en kraft. Al materie kollapser, og ingen kendte naturkræfter er i stand til at stoppe dette.
Stjernen vil være kollapset i noget, der føles som et uendeligt tidsrum, og dens masse vil være faldet sammen til noget, der føles som et uendeligt lille punkt: En singularitet – eller sagt på en anden måde, et sort hul.
I virkeligheden vil stjernens kerne være omdannet til noget med en endelig størrelse og være en gigantisk masse med en ufattelig lille størrelse.
Sorte huller suger ikke alt til sig
Interessant nok vil sorte huller ikke nødvendigvis suge alt til sig.
Hvis man kredser om en stjerne eller et sort hul, er der nemlig ingen forskel i tyngdekraft, så længe massen af de to objekter er den samme.
Her vil den gode gamle centrifugalkraft og impulsmomentet sørge for, at man ikke trækkes indad mod objektet.
Kun når man sænker hastigheden i omløbsbanen, vil man trækkes indad. Og når det sker i omløb af et sort hul, vil man blive accelereret hurtigere og hurtigere, indtil man til sidst når lysets hastighed.
Hvorfor er kvanteteori og den generelle relativitetsteori uforenelige?
Den generelle relativitetsteori fejler i det sorte hul, for intet med en masse burde bevæge sig hurtigere end lysets hastighed.
I kvantemekanikkens verden er lys det medie, hvor kræfterne bevæger sig og flytter information i den makroskopiske verden. Og lys bestemmer, hvor hurtigt man kan koble årsag med virkning.
Hvis man bevæger sig hurtigere end lyset, kan man observere og ændre på hændelser, før de rent faktisk finder sted. Det medfører to konsekvenser:
- Idet man bliver trukket indad og når lysets hastighed, vil man også skulle trækkes udad med lysets hastighed for at undgå at ende i det sorte hul. Og det synes umuligt. En logisk konsekvens heraf er, at intet vil undslippe et sort hul, når først det når til det punkt, hvor det bevæger sig indad med lysets hastighed – et punkt, der kaldes begivenhedshorisonten. Her er tyngdekraften så kraftig, at intet vil undslippe. Heller ikke lyset.
- Kvantemekanikkens principper om kvanteinformation og bevarelse vil blive brudt, og det betyder, at kvanteobjekter som for eksempel lys eller atomer vil kunne forsvinde for altid i et sort hul.
Om alt dette er sandt, og om relativitetsteorien eller kvanteteorien skal ændres – og i så fald hvordan – er emner, der diskuteres intenst blandt fysikere verden over. Og ingen ved, hvor diskussionen ender.
Findes sorte huller overhovedet?
Den begejstring og spænding, der omgiver forskningen i sorte huller, vil kun komme til sin ret, hvis der virkelig findes sorte huller i universet.
Så spørgsmålet er: Findes de?
I det seneste århundrede er der løbende kommet flere og flere beviser, der peger på, at visse binære stjerner med en intens emission af røntgenstråling rent faktisk er stjerner, som er kollapset til sorte huller.
Derudover viser forskning, at galaksers midte ofte består af gigantiske, mørke koncentrationer af masse.
Galakserne er måske eksempler på sorte huller med en supergigantisk masse, der sandsynligvis er blevet dannet gennem en fusion af mange stjerner og skyer af gas, som er sunket ind i midten af galakserne.
Beviserne er dog kun indicier, omend de er overbevisende.
For eksempel kan man ’høre’ selve dannelsen af sorte huller via gravitationsbølger, men selve ’bølgesignaturen’ af begivenhedshorisonten er stadigvæk så flygtig og fjern, at vi endnu ikke kan sige, at vi med sikkerhed har ’set’ et sort hul.
Hullerne er simpelthen for små og for langt væk – og for det meste alt for sorte.
Hvordan vil et sort hul se ud?
Kunne man se ind i et sort hul, ville man se det mørkeste mørke, man overhovedet kan forestille sig.
Omgivelserne kunne derimod være lysende spiraler af gasser med store magnetfelter i langsom bevægelse mod det sorte hul.
Friktionen af magnetfelterne ville varme gasserne op til enorme temperaturer – op til mange milliarder grader – og gasserne ville udsende UV-lys og røntgenstråler.
Ultravarme elektroner, som interagerer med det magnetiske felt i gasserne, ville begynde en intens emission af radiobølger.
Sorte huller ville således stråle og være omgivet af en ring af ild, der udsender radiobølger af mange forskellige længder.
En ring af ild med en mørk, mørk midte
I midten af det sorte hul ligger begivenhedshorisonten på lur, og som et rovdyr fanger den hver en foton, der kommer for tæt på.
Det sorte huls enorme masse bøjer rummet omkring det. Lys, der befinder sig i nærheden, vil også blive bøjet og endda formet til næsten koncentriske ringe omkring det sorte hul.
Allerede i 1916 regnede den berømte matematiker David Hilbert sig frem til, at lys kunne bøjes og danne ringe – kun få måneder efter at Albert Einstein færdiggjorde den generelle relativitetsteori.
Når lyset har kredset om det sorte hul mange gange, vil nogle af lysets stråler måske undslippe, mens andre ender i begivenhedshorisonten.
Langs lysstrålen vil man kunne se ind i det sorte hul. Og det ’intet’, man vil ’se’, er selve begivenhedshorisonten.
Hvis man kunne tage et billede af et sort hul, ville man se noget, der minder om en mørk skygge omgivet af en lysende tåge – også kaldet det sorte huls ’skygge’.
Interessant nok ville skyggen fremstå meget større, end man ville forvente, når man ser på begivenhedshorisontens diameter. Det sorte hul fungerer ganske enkelt som en gigantisk linse, der forstørrer sig selv.
Rundt om skyggen ville der være en tynd ring af fotoner, skabt af det lys, som drejer rundt om det sorte hul i noget, der minder om evigheder.
Og længere ude ville man se flere ringe af lys, som opstår i nærheden af begivenhedshorisonten, men som på grund af det sorte huls forstørrelseseffekt er centreret om det sorte huls skygge.
Fantasi eller virkelighed?
Er dette ren fantasi, der kun kan skabes gennem computersimulationer? Eller kan vi se alt dette i virkeligheden?
Svaret på det sidste spørgsmål er ja, det kan vi nok.
I universet findes to supermassive sorte huller i nærheden af os. Hullerne er så store og så tæt på, at deres skygger vil kunne ses med moderne teknologi.
\ Hør mere om sorte huller
Heino Falcke, forfatteren til denne artikel, er i København, hvor han 24. november 2018 giver et gratis foredrag om 'How to see Black Holes'.
Det foregår kl. 20 på Byens Lys, Christinia, og arrangeres af Science & Cocktails.
De to sorte huller findes nemlig henholdsvis i midten af vores egen galakse, Mælkevejen, i en afstand af 26.000 lysår og med en masse på 4 millioner gange Solens masse, og så i den gigantiske elliptiske galakse kaldet M87 (Messier 87) med en masse på 3 til 6 milliarder gange Solens masse.
M87 er tusinde gange længere væk, men samtidig også tusinde gange større og tusinde gange mere massiv, så man forventer, at begge objekter vil have nogenlunde samme størrelse skygger projekteret op på himlen.
Som at se et sandkorn i New York fra Europa
Tilfældigvis kan simple bølgeteorier også forudse, at den emission af bølger, der skabes i nærheden af begivenhedshorisonterne i de to sorte huller, vil blive udsendt med samme radiofrekvens på 230 GHz og derover.
De fleste mennesker er kun i nærheden af bølger med lignende frekvens, når de skal igennem en kropsskanner i lufthavnen. Visse sorte huller er indhyllet i bølger som disse.
Strålingen fra disse bølger har en meget kort bølgelængde på omkring en millimeter og absorberes nemt i vand.
For at et teleskop skal kunne observere kosmiske millimeterbølger, skal det derfor placeres højt oppe på et tørt bjerg for at undgå, at strålerne bliver absorberet i Jordens fugtige troposfære.
I praksis skulle man bruge et millimeterbølge-teleskop, som kan se et objekt på størrelse med et sandkorn i New York fra Nijmegen i Holland.
Altså, et teleskop som er tusinde gange skarpere end Hubble Rumteleskopet, og for millimeterbølger kræver det et teleskop på størrelse med Atlanterhavet – eller større.
Et virtuelt teleskop på størrelse med Jorden
Heldigvis behøver vi ikke at dække Jorden til med et stort radioteleskop. Vi kan i stedet bygge et virtuelt teleskop med samme opløsning ved at kombinere data fra de forskellige teleskoper, der står på forskellige bjergtoppe rundt om på Jorden.
Teknikken kaldes Jordrotations-syntesen og længde-interferometri.
Idéen er gammel og er blevet testet gennem årtier, men det er først nu, det er blevet muligt at bruge teknikken på høje radiofrekvenser.
Det første succesfulde eksperiment har allerede vist, at strukturer i begivenhedshorisonten kan undersøges i de høje frekvenser.
Og nu findes der også digitalt udstyr til at måle høje frekvensbånd og store teleskoper, så man kan udføre eksperimenter på en stor skala.
Resultater på vej
Jeg er en af tre hovedforskere på BlackHoleCam-projektet. BlackHoleCam er et EU-financieret projekt, som går ud på at skabe billeder af og måle og forstå astrofysiske sorte huller.
Vores europæiske projekt er en del af et stort globalt samarbejde kendt som ’Event Horizon Telescope konsortiet’ – et samarbejde mellem mere end to hundrede videnskabsfolk fra Europa, Nord- og Sydamerika, Asien og Afrika.
Sammen vil vi tage det første billede af et sort hul.
I april 2017 observerede vi Det Galaktiske Centrum, som er Mælkevejens kerneområde, og M87 med 8 teleskoper på 6 forskellige bjergtoppe i Spanien, Arizona, Hawaii, Mexico, Chile og Antarktis.
Alle teleskoper var udstyret med atomure for helt præcist at kunne synkronisere data.
Vi optog adskillige petabytes rådata takket være overraskende gode vejrforhold rundt om på Jorden.
Vi er alle meget spændte og begejstrede over at se, hvad der kommer ud af dataene.
I den bedste af alle verdener, vil billederne dog ikke kunne blive nær så gode som computersimulationerne. Men i det mindste vil de være virkelige, og hvad vi end ser, vil det være interessant.
For at få endnu bedre billeder er vi lige nu i gang med at sætte teleskoper op i Grækenland og Frankrig.
Derudover er vi begyndt at søge fondsmidler til endnu flere teleskoper i Afrika og måske også andre steder i verden. Vi tænker også på at sende teleskoper ud i rummet.
Et 'billede' af et sort hul
Hvis det lykkes os at se en begivenhedshorisont, vil vi finde ud af, at problemerne med at få kvanteteorien og den generelle relativitetsteori til at stemme overens ikke er abstrakte, men særdeles reelle.
Og vi kan pege på problemerne i et sort huls virkelige skygge i et veldefineret område af vores univers.
Det er måske også her, problemerne på et tidspunkt vil blive løst.
Vi kunne gøre det ved at fremskaffe skarpere billeder af skyggen – eller måske spore stjerner og pulsarer, mens de kredser om et sort hul – ved at måle rumtidens krusninger, i dét øjeblik sorte huller smelter sammen.
Eller, mere sandsynligt, ved at bruge alle de teknikker, vi har nu, til at undersøge sorte huller.
\ Forskerzonen
Denne artikel er en del af Forskerzonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde.
Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.
Forskerzonen er støttet af Lundbeckfonden.
Engang et eksotisk koncept – nu et virkelighedens laboratorie
Som studerende spekulerede jeg over, hvad jeg skulle studere: Partikelfysik eller astrofysik?
Efter at have læst mange videnskabelige artikler var det min opfattelse, at partikelfysik havde nået sine højder.
Forskningsområdet havde skabt en imponerende standardmodel og kunne forklare de fleste kræfter og partikler i verden.
Astronomi var på den anden side lige begyndt at udforske dybderne i et fascinerende univers. Der var stadigvæk meget at opdage. Og jeg ønskede at opdage noget.
Jeg ville forstå tyngdekraften og valgte astrofysik i sidste ende. Og eftersom man finder den mest ekstreme tyngdekraft i nærheden af sorte huller, besluttede jeg at ville komme så tæt på dem som muligt.
Det, som var et eksotisk emne, da jeg begyndte mine studier, synes nu at være et lovende, meget virkeligt og synligt fysiklaboratorie, som kan realiseres i en ikke alt for fjern fremtid.
