Svarta hål: definition, händelsehorisont, Hawking-strålning och upptäckt
Upptäck svarta hål: definition, händelsehorisont, Hawking-strålning och hur astronomer upptäcker dem — från stjärnrörelser till ljusstarka gasströmmar.
Svart hål är ett område i rymden från vilket ingenting, inte ens ljus, kan undkomma. Enligt den allmänna relativitetsteorin uppstår ett svart hål när rymdtiden kröks så kraftigt av en mycket stor massa att en gräns bildas runt det. Denna gräns är en sfär som kallas händelsehorisonten: allt som passerar den kan inte längre komma tillbaka. Ett svart hål är "svart" eftersom det absorberar allt ljus som når det och inte reflekterar något, på samma sätt som en perfekt svart kropp i termodynamiken.
Hur bildas svarta hål?
De vanligaste bildningssätten är kollapsen av mycket tunga stjärnor och sammanslagningar av kompakt objekt. När en massiv stjärna tömt sitt kärnbränsle kan dess inre kollaps leda till ett svart hål. Svarta hål kan också växa genom att dra till sig materia eller genom sammanslagningar med andra svarta hål eller neutronstjärnor.
Händelsehorisonten, Schwarzschild-radie och singularitet
Händelsehorisonten ligger på ett avstånd som för ett icke-roterande (Schwarzschild-)svart hål ges av dess Schwarzschild-radie, som är proportionell mot dess massa. Inom händelsehorisonten slutar de vanliga orsak-verkan-relationerna att gälla på det sätt vi är vana vid. I centrum av ett svart hål finns enligt klassisk relativitet en singularitet, en punkt där krökningen av rymdtiden blir oändlig och de vanliga fysikaliska beskrivningarna bryter samman. Hur singulariteten egentligen ser ut väntar ännu på en teori som förenar relativitet och kvantmekanik.
Hawking-strålning och termodynamik
Trots att klassiska svarta hål inte avger något, visar kvantmekaniska beräkningar att svarta hål har en temperatur och avger Hawking-strålning. Denna strålning innebär att svarta hål långsamt förlorar energi och därmed massa, så de krymper över mycket långa tidsskalor. För storskaliga, astrofysiska svarta hål är Hawking-temperaturen extremt låg och strålningen försumbart liten, men för hypotetiskt mycket små svarta hål blir effekten betydande.
Typer av svarta hål
- Stjärnmasiva svarta hål: bildas från kollapsande stjärnor och har massor några gånger upp till tiotals gånger solens massa.
- Intermediära svarta hål: antas ha massor mellan hundratals och tiotusentals solmassor, men bevisen är fortfarande osäkra.
- Supermassiva svarta hål: finns i mitten av de flesta stora galaxer och kan väga från hundratusentals till flera miljarder solmassor.
Hur upptäcker astronomer svarta hål?
Eftersom svarta hål inte syns direkt letar man efter deras effekter på omgivningen:
- Stjärnors rörelser: Man kan spåra banor hos stjärnor som cirklar runt en osynlig massa för att bestämma dess läge och massa. Genom att följa stjärnor nära galaxcentrum kan man identifiera ett kraftigt masscentrum, som i Vintergatans fall där man funnit bevis för ett supermassivt svart hål nära Sagittarius A* med en massa på flera miljoner solmassor.
- Akkretionsskivor och röntgenstrålning: När gas faller in mot ett svart hål värms den upp i en accretionsskiva och blir mycket ljusstark, särskilt i röntgenområdet. Detta upptäcks av markbaserade och rymdbaserade teleskop som kretsar runt jorden.
- Gravitationsvågor: Kollisioner och sammanslagningar av svarta hål sänder ut gravitationsvågor som nu kan detekteras med instrument som LIGO och Virgo. Dessa mätningar ger direkt information om massor och banor för de sammanfogade objekten.
- Direktavbildning av händelsehorisonten: Projektet Event Horizon Telescope (EHT) lyckades 2019 avbilda skuggan av det svarta hålet i galaxen M87 och senare även i vår egen galax, vilket ger direkt bevis för händelsehorisonten och test av relativitetsteori nära den.
- Gravitationslinsning: Ett svart hål kan fungera som en gravitationslins och förvränga ljuset från bakgrundsobjekt, vilket ger ett annat sätt att upptäcka och mäta dess egenskaper.
Supermassiva svarta hål i galaxcentrum
Astronomer har funnit bevis för att nästan varje stor galax har ett supermassivt svart hål i sitt centrum. För Vintergatan visade observationer redan 2008 på ett mycket tungt objekt nära Sagittarius A*, och senare mätningar av stjärnrörelser och direktavbildning har bekräftat dess existens och massa (flera miljoner solmassor).
Öppna frågor och forskning
Flera grundläggande frågor är fortfarande obesvarade: Vad händer med information som faller in i ett svart hål (informationsparadoxen)? Hur ser en kvantgravitationsbeskrivning av singulariteten ut? Finns det undantag mot den så kallade kosmiska censur-hypotesen som skulle dölja singulariteter bakom händelsehorisonter? Forskningen kombinerar observationer (röntgen, radiovågor, gravitationsvågor, EHT) med teoretiska försök att förena kvantmekanik och allmän relativitet.
Sammanfattning
Svarta hål är relativitetsteorins extrema förutsägelser där gravitationen blivit så stark att en händelsehorisont bildas. De påverkar sin omgivning kraftigt, avger enligt kvantteori svag Hawking-strålning, och upptäcks genom indirekta observationer av stjärnrörelser, akkretion, gravitationsvågor och direktavbildning. De är både väl etablerade i astronomin och fortfarande källor till djupa teoretiska frågor.
Simulering av gravitationslinser från ett svart hål som förvränger bilden av en galax i bakgrunden (större animation)
Det supermassiva svarta hålet i kärnan av den superjättelika elliptiska galaxen Messier 87 i stjärnbilden Virgo. Det svarta hålet var det första som avbildades direkt (Event Horizon Telescope, publicerat den 10 april 2019).
Historia
År 1783 skrev en engelsk präst vid namn John Michell att det kunde vara möjligt att något skulle vara så tungt att man måste gå med ljusets hastighet för att komma undan gravitationen. Gravitationen blir starkare när något blir mer massivt. För att en liten sak, som en raket, ska kunna fly från en större sak, som jorden, måste den undkomma dragningskraften från jordens gravitation, annars faller den tillbaka. Den hastighet som den måste åka för att komma undan kallas för flykthastighet. Större planeter (som Jupiter) och stjärnor har större massa och starkare gravitation än jorden. Därför måste flykthastigheten vara mycket snabbare. John Michell trodde att det var möjligt att något kunde vara så stort att flykthastigheten måste vara snabbare än ljusets hastighet, så att inte ens ljuset kunde fly. År 1796 skrev Pierre-Simon Laplace om samma idé i första och andra upplagan av sin bok Exposition du système du Monde (den togs bort från senare upplagor).
Vissa forskare trodde att Michell kunde ha rätt, men andra trodde att ljuset inte hade någon massa och inte skulle dras med av gravitationen. Hans teori glömdes bort.
År 1916 skrev Albert Einstein en förklaring av gravitationen som kallas allmän relativitetsteori.
- Massan gör att rymden (och rumtiden) böjer sig, eller kröker sig. Rörliga saker "faller med" eller följer kurvorna i rymden. Detta är vad vi kallar gravitation.
- Ljuset färdas alltid med samma hastighet och påverkas av gravitationen. Om det verkar ändra hastighet färdas det i själva verket längs en kurva i rymdtiden.
Några månader senare, när han tjänstgjorde i första världskriget, använde den tyske fysikern Karl Schwarzschild Einsteins ekvationer för att visa att ett svart hål kan existera. Schwarzschilds radie är storleken på händelsehorisonten för ett icke-roterande svart hål. Denna radie var det mått där flykthastigheten var lika med ljusets hastighet. Om radien för en stjärna är mindre kan ljuset inte fly, och det skulle bli en mörk stjärna, eller ett svart hål.
1930 förutspådde Subrahmanyan Chandrasekhar att stjärnor som är tyngre än solen kan kollapsa när de får slut på väte eller andra kärnbränslen att brinna. År 1939 beräknade Robert Oppenheimer och H. Snyder att en stjärna måste vara minst tre gånger så massiv som solen för att bilda ett svart hål. År 1967 uppfann John Wheeler namnet "svart hål" för första gången. Dessförinnan kallades de för "mörka stjärnor".
År 1970 visade Stephen Hawking och Roger Penrose att svarta hål måste existera. Även om de svarta hålen är osynliga (de kan inte ses) är en del av den materia som faller in i dem mycket ljusstark.
Våren 2019 fanns det en bild av ett svart hål, eller snarare av saker som kretsar kring det svarta hålet. Bilden krävde många foton från olika platser. En av gruppmedlemmarna (Katie Bouman) gjorde en sammanställning av alla bilder till en enda bild.
År 2020 fick Roger Penrose, Reinhard Genzel och Andrea Ghez Nobelpriset i fysik för sitt arbete med teorin om svarta hål.
Bildning av svarta hål
Gravitationskollapsen av enorma stjärnor (med hög massa) orsakar svarta hål med "stjärnmassa". Stjärnbildning i det tidiga universum kan ha skapat mycket stora stjärnor. När de kollapsade skapade de svarta hål med upp till 103 solmassor. Dessa svarta hål kan vara fröna till de supermassiva svarta hål som finns i de flesta galaxers centrum.
Det mesta av den energi som frigörs vid gravitationskollapsen avges mycket snabbt. En avlägsen observatör ser hur materialet faller långsamt och sedan stannar strax ovanför händelsehorisonten på grund av gravitationell tidsutvidgning. Det ljus som avges strax före händelsehorisonten fördröjs oändligt länge. Observatören ser alltså aldrig bildandet av händelsehorisonten. Istället verkar det kollapsande materialet bli svagare och alltmer rödförskjutet för att slutligen försvinna.
Supermassiva svarta hål
Svarta hål har också hittats i mitten av nästan alla galaxer i det kända universum. Dessa kallas supermassiva svarta hål (SBH) och är de största svarta hålen av alla. De bildades när universum var mycket ungt och bidrog också till att bilda alla galaxer.
Kvasarer tros drivas av gravitationen som samlar in material i supermassiva svarta hål i centrum av avlägsna galaxer. Ljuset kan inte fly från de stora svarta hålen i kvasarernas centrum, så den energi som flyr tillverkas utanför händelsehorisonten genom gravitationella påfrestningar och enorm friktion på det inkommande materialet.
Stora centrala massor (106 till 109 solmassor) har uppmätts i kvasarer. Flera dussin närliggande stora galaxer, utan tecken på en kvasar-kärna, har ett liknande centralt svart hål i sina kärnor. Man tror därför att alla stora galaxer har ett sådant, men att endast en liten del är aktiva (med tillräckligt mycket ackretion för att driva strålning) och därför ses som kvasarer.
Effekter på ljus
I mitten av ett svart hål finns ett gravitationscentrum som kallas singularitet. Det är omöjligt att se in i den eftersom gravitationen hindrar allt ljus från att komma ut. Runt den lilla singulariteten finns ett stort område där ljus som normalt skulle passera sugs in också. Kanten av detta område kallas händelsehorisonten. Området innanför händelsehorisonten är det svarta hålet. Det svarta hålets gravitation blir svagare på avstånd. Händelsehorisonten är den plats längst bort från det svarta hålets mitt där gravitationen fortfarande är tillräckligt stark för att fånga in ljus.
Utanför händelsehorisonten dras ljus och materia fortfarande mot det svarta hålet. Om ett svart hål är omgivet av materia kommer materian att bilda en "ackretionsskiva" (ackretion betyder "samling") runt det svarta hålet. En ackretionsskiva ser ut ungefär som Saturnus ringar. När materian sugs in blir den mycket varm och skickar ut röntgenstrålning i rymden. Tänk dig detta som vatten som snurrar runt hålet innan det faller in.
De flesta svarta hål är för långt borta för att vi ska kunna se ackretionsskivan och jetstrålen. Det enda sättet att veta att det finns ett svart hål är att se hur stjärnor, gas och ljus beter sig runt omkring det. Med ett svart hål i närheten rör sig även objekt som är lika stora som en stjärna på ett annat sätt, vanligtvis snabbare än om det svarta hålet inte fanns där.
Eftersom vi inte kan se svarta hål måste de upptäckas på andra sätt. När ett svart hål passerar mellan oss och en ljuskälla böjs ljuset runt det svarta hålet och skapar en spegelbild. Denna effekt kallas gravitationslinsning.
Einsteins kors: fyra bilder från en kvasar
Konstnärsbild: ett svart hål som drar bort det yttre skiktet av en närliggande stjärna. Det är omgivet av en energiskiva, som skapar en strålningsstråle.
Hawkingstrålning
Hawking-strålning är strålning från svarta kroppar som avges av svarta hål på grund av kvanteffekter nära händelsehorisonten. Den är uppkallad efter fysikern Stephen Hawking, som 1974 gav ett teoretiskt argument för dess existens.
Hawkingstrålning minskar det svarta hålets massa och energi och kallas därför också för avdunstning av svarta hål. Detta sker på grund av de virtuella partikel-antipartikelparen. På grund av kvantfluktuationer är detta när en av partiklarna faller in och den andra kommer undan med energin/massan. På grund av detta förväntas svarta hål som förlorar mer massa än de får på annat sätt förväntas krympa och slutligen försvinna. Mikro svarta hål (MBH) förutses vara större nettostrålare än större svarta hål och borde krympa och försvinna snabbare.
Egenskaper hos svarta hål
Teoremet om att det inte finns några hårstrån säger att ett stabilt svart hål endast har tre oberoende fysiska egenskaper: massa, laddning och vinkelmoment. Om detta är sant kommer två svarta hål som har samma värden för dessa tre egenskaper att se likadana ut. År 2020 är det oklart om teoremet "no hair" är sant för verkliga svarta hål.
Egenskaperna är speciella, eftersom alla tre kan mätas från utsidan av det svarta hålet. Ett laddat svart hål stöter till exempel bort andra likadana laddningar precis som alla andra laddade föremål. På samma sätt kan den totala massan inuti en sfär som innehåller ett svart hål hittas genom att använda gravitationens analogi till Gauss lag, långt bort från det svarta hålet. Vinkelmomentet eller spinnet kan också mätas på långt avstånd.
Frågor och svar
F: Vad är ett svart hål?
S: Ett svart hål är en region i rymden från vilken ingenting, inte ens ljus, kan fly. Det börjar existera när rymdtiden kröks av en enorm massa och har en händelsehorisont som allt inuti inte kan lämna.
F: Varför är svarta hål svarta?
Svar: Svarta hål är svarta eftersom de absorberar allt ljus som träffar dem och inte reflekterar någonting, precis som en perfekt svart kropp i termodynamiken.
F: Hur hittar man svarta hål?
Svar: Människor hittar svarta hål genom att följa rörelsen hos stjärnor som kretsar runt någonstans i rymden eller när gas faller in i ett svart hål och värms upp och blir mycket ljusstark, vilket kan ses med teleskop på jorden eller med teleskop i omloppsbana runt jorden.
F: Finns det supermassiva svarta hål?
S: Ja, astronomer har funnit bevis för supermassiva svarta hål i centrum av nästan alla galaxer. År 2008 fann astronomer bevis för att ett supermassivt svart hål med mer än fyra miljoner solmassor finns nära Sagittarius A*-delen av Vintergatan.
F: Har kvantmekaniken någon inverkan på hur vi ser på svarta hål?
S: Ja, enligt kvantmekaniken har svarta hål en temperatur och avger Hawking-strålning, vilket gör att de långsamt blir mindre.
F: Vad händer inuti ett svart hål?
S: Inne i ett svart hål är fysikens regler mycket annorlunda än vad vi upplever här på jorden.
Sök