Hvad er et sort hul?

Kort forklaring

Et sort hul er et område i rummet, hvor tyngdekraften er så fantastisk stor, at end ikke lys kan undslippe.

Og i 2019 lykkedes det endelig at se "skyggen" af et sort hul!

Gå til encyklopædien

En stjerne kollapser

Et sort hul er det mest fantastiske objekt i Universet. Det er hverken stof (som stjerner, planeter og cykler) eller stråling (som røntgenstråler, grønt lys og radiobølger). Det er, faktisk, bare en klump af tyngdekraft.

Et sort hul dannes, når en stjerne tungere en omtrent 25 solmasser ender sit liv.

En stjerne er resultatet af ligevægten mellem to kræfter: Tyngdekraften, der prøver at trække alting sammen, og energiproduktionen, der prøver at skubbe alt fra hinanden. Når stjernen har forbrændt al sin brændstof, kollapser den. For lette stjerner stopper dette kollaps ved stadiet af en hvid dværg, mens tungere stjerner eksploderer i supernovaer og efterlader en neutronstjerne.

Men hvis denne stjernerest er tungere en omkring 2–3 solmasser, er intet i stand til at forhindre katastrofen: Kollapset fortsætter, indtil alt det, der ikke er blevet blæst væk af supernovaeksplosionen, er krympet sammen til et enkelt punkt!

image hover
Cassiopeia A: Resterne af en supernova der eksploderede for ca. 300 år siden (plus de 11.000 år det tog lyset at nå herned til Jorden). Denne eksplosion resulterede dog ikke i et sort hul, men i en neutronstjerne.
Kredit: Spitzer/Hubble/Chandra.

Rummet krummes

Den endelige rest vejer typisk nogle få solmasser, og al denne masse er altså anbragt ikke bare indeni et meget lille område, men i et enkelt punkt!

I nærheden af dette punkt forudsiger Einsteins relativitetsteori, at tyngdekraften er så ekstrem, at selve rummet "krummes". At rummet krummes er en lidt populær måde at sige, at hvis et eller andet — f.eks. en lysstråle — bevæger sig ligeud gennem rummet, så vil en observatør langt fra det sorte hul se strålens bane blive afbøjet.

Jo tættere man kommer på punktet, desto stærkere er tyngdekraften, og jo større fart kræves dermed for at undslippe. Indenfor den såkaldte "begivenhedshorisont", der for et sort hul på en enkelt solmasse er 3 km fra punktet, overstiger denne nødvendige fart lysets hastighed.

Det vil sige at intet, ikke engang lys, kan undslippe.

Definitionen på det sorte hul er sfæren "indenfor" begivenhedshorisonten.

image hover
Krumt rum: Et krumt rum er svært at visualisere i 3D (som rummet jo er), men en udmærket 2D-analogi er at forestille sig rummet som en flad gummimembran, der deformeres af et tung legeme der ligger ovenpå. Jo tungere legemet er, desto mere deformeres overfladen, og i et sort hul er krumningen uendelig stor.
Kredit: sciencenews.org.

Tiden går langsommere

Ikke bare rummet, men også tiden "krummes" i nærheden af et sort hul, forstået på den måde, at jo tættere man kommer begivenhedshorisonten, desto langsommere går tiden, set fra fjern afstand. En astronaut, der falder mod det sorte hul, føler intet specielt ved selve horisonten, men vil til sidst blive revet i stykker af tidevandskræfter og splatte ud i punktet. Men fra den fjerne observatørs synspunkt vil astronauten falde langsommere og langsommere, og når aldrig (!) horisonten.

Hvis den faldende astronaut har en kraftig raket, så han kan komme tæt på horisonten, hænge lidt ud dernede og derefter vende tilbage til sine venner, vil han finde, at mens rejsen tog ham f.eks. en time, er der gået 100 år i den "ydre" verden. På denne måde kan et sort hul bruges til at rejse frem i tiden (men ikke tilbage — hertil må man benytte andre midler…)

I filmen "Interstellar" sker dette for to af karaktererne — de spenderer et døgns tid på en planet der kredser om et sort hul, og når de kommer tilbage til deres rumskib, er deres venner lidt bitre fordi de har ventet i 26 år (jeg husker ikke detaljerne helt, men det var vist nogenlunde det der skete).

Supermassive sorte huller

HER SKRIVER JEG SNART LIDT OM SUPERMASSIVE SORTE HULLER!

Observationer af sorte huller

At se et sort hul er ikke let; lyset kan jo ikke undslippe. Nogle gange kan man se lyset fra gas, der hvirvler ned i det sorte hul og opvarmes til det gløder. Men det er jo ikke rigtigt det sorte hul.

Men nu er sorte huller ikke længere "bare noget teoretisk". Nu har vi endelig set det!

I 2019 annoncerede "Event Horizon Telescope"-kollaborationen at de med et netværk af forkellige teleskoper rundt omkring på hele kloden havde observeret "skyggen" af det 6.5 milliard solmasser tunge, supermassive sorte hul i galaksen M87 (se også mit eget billede af M87).

image hover
Vaskeægte billede af et sort hul: "Skyggen" af det supermassive sorte hul i galaksen M87. Den hvide streg er 50 mikro-buesekunder lang, og ét buesekund er 1/3600 af en grad. At det er så ekstremt småt er grunden til, at man var nødt til at have fordelt teleskoperne rundt på hele Jorden — jo større afstand mellem teleskoperne, desto finere opløsning.
Kredit: The ETH Collab. (2019, ApJ, 875, L1).

Et sort huls skygge

Hvis man kigger mod et sort hul, vil alle synslinier indenfor Schwarzschild-radien (\(r_s\)) ende på begivenhedshorisontens overflade. Eftersom det er sort, kan man ikke se det, men hvis der er noget lyst bagved — f.eks. hvis glødende gas der hvirvler rundt om hullet — kan man alligevel "se det manglende lys" som en rund skive foran det lysende.

Men fordi rummet krummer omkring det sorte hul er det faktisk ikke kun en skive med en radius på \(r_s\) man ser: Synslinier lidt længere væk fra centrum vil krumme rundt og ende på hullets bagside! Og synslinier endnu længere væk krummer hele vejen rundt til forsiden igen, eller flere gange rundt, så man ser forside og bagside flere gange, helt ud i en afstand på \(2.6 r_s\). Længere ude vil synslinerne krumme rundt en masse gange, men ende "ved siden af" det sorte hul (i en hvilken som helst retning).

Denne skive med en radius på \(2.6 r_s\) kaldes det sorte huls "skygge".

image hover
Skyggen af et sort hul: Diagram over synslinierne (røde streger) fra en observatør (i højre side) mod et sort hul. Alle synslinier indenfor 2.6 gange Schwarzschild-radien ender på begivenhedshorisonten, og danner billedet af det sorte hul; dens såkaldte skygge. Klik på 'en for at se detaljer, og skriv til mig, hvis du vil have forklaret figuren bedre.