Supermassivt svart hål (SMBH) – definition, massa och roll i galaxer

Ett supermassivt svart hål (SMBH eller mindre ofta SBH) är ett svart hål med en massa som är mellan 10⁵ och 10¹⁰solens massa. Forskarna är övertygade om att nästan alla galaxer, inklusive Vintergatan, har supermassiva svarta hål i sitt centrum.

Storlek och grundläggande egenskaper

Trots sin extrema massa är ett svart håls fysiska storlek (Schwarzschildradie) relativt liten jämfört med galaxens utsträckning. En tumregel är att Schwarzschildradien är ungefär 3 km per solmassa, vilket betyder att ett svart hål med en miljon solmassor har en radie på ordningen några miljoner kilometer. Runt det supermassiva hålet kan material bilda en het, lysande ackretionsskiva och ibland kraftfulla jets som sträcker sig långt utanför galaxen.

Hur man mäter massan

Stjärn- och gaskinematik: Genom att mäta hastigheterna hos stjärnor eller gas nära galaxkärnan kan man bestämma den centrala massan som påverkar rörelserna.
Maser och precisionsmätningar: I vissa galaxer ger vattenmasersystem extrema noggranna mätningar av omloppsbanor nära hålet, vilket ger mycket tillförlitliga massbestämningar.
Reverberationsmätningar: För aktiva galaxkärnor (AGN) används tidsfördröjningar mellan variationer i kärnens ljus och ljuset från gas i omloppsbanor för att uppskatta avstånden och därmed massan.
Direkt avbildning: Event Horizon Telescope (EHT) har avbildat skuggan hos M87*: kombinationen av bild och dynamik ger massa- och strukturinformation.

Bevis för att de finns i nästan alla galaxer

Observationsdata visar att nästan alla stora galaxer har ett kompakt masscentrum som inte kan förklaras av stjärnor eller gas ensamt. För Vintergatan har mätningar av stjärnbanorna runt radiokällan Sgr A* visat att en massa på ungefär 4 miljoner solmassor ligger på en mycket liten volym — en typisk signatur för ett SMBH. I aktiva galaxer och kvasar ser vi dessutom extremt högenergetisk strålning från ackretion, ett annat tydligt tecken på ett supermassivt svart hål.

SMBH och galaxutveckling

Relationer mellan svart håls massa och egenskaper hos värdgalaxens sphär (till exempel den så kallade M–sigma-relationen som kopplar svart håls massa till stjärnornas hastighetsspridning) tyder på att svarta hål och deras värdgalaxer utvecklas tillsammans. SMBH kan påverka sin omgivning genom feedback:

Radiativ (quasar-) feedback: När mycket materia faller in kan kraftig strålning värma och blåsa bort gas, vilket kan kväva ny stjärnbildning.
Mechanisk (radio-) feedback: Jets och kraftiga vindar från ackretionsprocessen kan skjuta bort gas i galaxens centrala delar och påverka hela galaxens temperaturbalans.

Observationer och uppmärksammade upptäckter

Event Horizon Telescope: Första bilden av en svart hålsskugga togs av M87* (2019) och senare av Sgr A* (2022), vilket gav direkt bildbevis för närvaron av händelsehorisoner.
Aktiva galaxkärnor och kvasar: Några SMBH ackreterar så mycket materia att de lyser starkare än hela värdgalaxen — dessa kallas kvasar och används för att studera tidig kosmisk historia.
Gravitationsvågor: Sammanslagningar av supermassiva svarta hål väntas ge gravitationsvågor i nanohertz–mikroherz-området. Pulsartimingnätverk och kommande rymdbaserade observatorier som LISA riktar sig mot sådana signaler.

Hur bildas och växer SMBH?

Det finns flera föreslagna bildningsvägar:

Gradvis tillväxt från stjärnsvarta hål genom ackretion och sammanslagningar.
Direkt kollaps av stora gasmoln tidigt i universum (s.k. direct collapse black holes) som ger stora fröer.
Sammanslagningar av mindre svarta hål och täta stjärnsystem.

Precis hur de snabbast växte till miljardmassiva hål redan i universums tidiga epok är en av de stora öppna frågorna inom astrofysiken.

Öppna frågor och framtida forskning

Viktiga problem som fortfarande studeras är bland annat hur de största SMBH kunde växa så snabbt i det unga universum, vad som bestämmer svart hålens spinn, och exakt hur feedbackprocesser reglerar galaxers stjärnbildning. Framtida instrument — både inom röntgen-, radio- och gravitationsvågsastronomi — förväntas ge ny kunskap om dessa frågor.

Sammanfattning: Supermassiva svarta hål är extremt tunga, kompakta objekt i centrum av nästan alla stora galaxer. De spelar en central roll i galaxers utveckling genom dynamisk påverkan och energiproduktion vid ackretion, och fortsätter vara ett aktivt forskningsfält med många spännande observationer och teoretiska utmaningar kvar att lösa.

Det supermassiva svarta hålet i kärnan av den superjättelika elliptiska galaxen Messier 87 i stjärnbilden Jungfrun. Det svarta hålet var det första som avbildades direkt (Event Horizon Telescope, publicerat den 10 april 2019).

Konstnärens bild av en kvasar - ett växande supermassivt svart hål i mitten av en galax.

Bildning

Hur supermassiva svarta hål startar är ännu inte känt. Astrofysikerna är överens om att när ett svart hål väl är på plats i centrum av en galax kan det växa genom att dra till sig materia och genom att smälta samman med andra svarta hål. Bildandet av vanliga svarta hål (i stjärnstorlek) från de första stjärnornas död har studerats ingående och stöds av observationer.

Det verkar dock finnas en lucka mellan svarta hål med stjärnmassa och supermassiva svarta hål.

Svarta hål med stjärnmassa, som bildas av kollapsande stjärnor, kan uppgå till kanske 33 solmassor. Det minimala supermassiva svarta hålet ligger i storleksordningen hundratusen solmassor. Mellan dessa ytterligheter verkar det finnas få svarta hål med medelhög massa. En sådan klyfta skulle tyda på att de två typerna bildades genom olika processer.

Observationer visar att kvasarer var mycket vanligare när universum var yngre. Supermassiva svarta hål med miljarder solmassor hade redan bildats när universum var mindre än en miljard år gammalt. Detta tyder på att supermassiva svarta hål uppstod mycket tidigt i universum, i de första massiva galaxerna.

Vintergatan SBH

Astronomer är övertygade om att vår egen galax Vintergatan har ett supermassivt svart hål i sitt centrum. Den ligger 26 000 ljusår från solsystemet, i riktning mot stjärnbilden Skytten. Området kallas Sagittarius A*, och bevisen för att det är ett svart hål finns:

Stjärnan S2 följer en elliptisk bana med en period på 15,2 år och ett pericentrum (närmaste avstånd) på 17 ljustimmar (1,8×10¹³ m eller 120 AU) från det centrala objektets centrum.
Utifrån stjärnan S2:s rörelse kan objektets massa uppskattas till 4,1 miljoner solmassor.
Radien för det centrala objektet måste vara betydligt mindre än 17 ljustimmar, för annars skulle S2 antingen kollidera med det eller slitas sönder av tidvattenkrafterna. Nya observationer visar faktiskt att radien inte är mer än 6,25 ljustimmar, vilket är ungefär samma diameter som Uranus bana.
Endast ett svart hål är tillräckligt tätt för att rymma 4,1 miljoner solmassor i den här rymdvolymen.

Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics och UCLA Galactic Center Group har gett starka bevis för att Sagittarius A* är platsen för ett supermassivt svart hål. Detta baseras på data från ESO och Keck-teleskopet. Vårt galaktiska centrala svarta hål beräknas ha en massa på cirka 4,1 miljoner solmassor, eller cirka 8,2 × 10³⁶ kg.

6 stjärnors bana runt det supermassiva svarta hålet Sagittarius A* i Vintergatans galaktiska centrum.