Svarta hål: definition, händelsehorisont, Hawking-strålning och upptäckt

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.

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.

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.

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.

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.

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.