En introduksjon til svarte hull
10. APRIL: I dette utdelingsbildet levert av National Science Foundation, fanger Event Horizon Telescope et svart hull i sentrum av galaksen M87, skissert av utslipp fra varm gass som virvler rundt det under påvirkning av sterk tyngdekraft nær hendelseshorisonten, i et bilde utgitt 10. april 2019. Et nettverk av åtte radioobservatorier på seks fjell og fire kontinenter, EHT observerte et svart hull i Messier 87, en supergigantisk elliptisk galakse i stjernebildet Jomfruen, av og på i 10 dager i april av 2017 for å lage bildet.
National Science Foundation / Getty Images
Sorte hull er objekter i universet med så mye masse fanget innenfor grensene at de har utrolig sterke gravitasjonsfelt. Faktisk er gravitasjonskraften til et sort hull så sterk at ingenting kan unnslippe når det først har gått inn. Ikke engang lys kan unnslippe et sort hull, det er fanget inne sammen med stjerner, gass og støv. De fleste sorte hull inneholder mange ganger massen til solen vår, og de tyngste kan ha millioner av solmasser.
Dette datasimulerte bildet viser et supermassivt sort hull i kjernen av en galakse. Det svarte området i midten representerer det sorte hullets hendelseshorisont, der intet lys kan unnslippe det massive objektets gravitasjonsgrep. Det sorte hullets kraftige gravitasjon forvrenger rommet rundt det som et funhouse-speil. Lys fra bakgrunnsstjerner strekkes og smøres ut mens stjernene skumles ved det sorte hullet. NASA, ESA og D. Coe, J. Anderson og R. van der Marel (Space Telescope Science Institute), Science Credit: NASA, ESA, C.-P. Ma (University of California, Berkeley), og J. Thomas (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Tyskland).
Til tross for all den massen, har den faktiske singulariteten som utgjør kjernen i det sorte hullet aldri blitt sett eller avbildet. Det er, som ordet antyder, et lite punkt i rommet, men det har MYE masse. Astronomer er bare i stand til å studere disse objektene gjennom deres effekt på materialet som omgir dem. Materialet rundt det sorte hullet danner en roterende skive som ligger like utenfor et område som kalles 'hendelseshorisonten', som er gravitasjonspunktet uten retur.
Strukturen til et svart hull
Den grunnleggende 'byggesteinen' til det sorte hullet er singulariteten: et nøyaktig område av rommet som inneholder hele massen til det sorte hullet. Rundt det er et romområde som lyset ikke kan unnslippe, noe som gir det 'svarte hullet' navnet. Den ytre 'kanten' av denne regionen er det som danner hendelseshorisonten. Det er den usynlige grensen der trekket til gravitasjonsfeltet er lik lysets hastighet . Det er også her tyngdekraften og lyshastigheten balanseres.
Hendelseshorisontens posisjon avhenger av gravitasjonskraften til det sorte hullet. Astronomer beregner plasseringen av en hendelseshorisont rundt et svart hull ved å bruke ligningen Rs= 2GM/cto. R er radiusen til singulariteten, G er tyngdekraften, M er massen, c er lysets hastighet.
Typer av sorte hull og hvordan de dannes
Det finnes forskjellige typer sorte hull, og de oppstår på forskjellige måter. Den vanligste typen er kjent som et sort hull med stjernemasse . Disse inneholder omtrent opp til noen få ganger massen til solen vår, og dannes når de er store hovedsekvens stjerner (10 - 15 ganger massen av solen vår) går tom for kjernebrensel i kjernene. Resultatet er en massiv supernovaeksplosjon som sprenger stjernenes ytre lag til verdensrommet. Det som er igjen kollapser for å skape et svart hull.
En kunstners oppfatning av en stjernehatt med sort hull (i blått) ble sannsynligvis dannet da en supermassiv stjerne kollapset, og matet fra materiale som ble kastet ut av en nærliggende stjerne. ESA, NASA og Felix Mirabel)
De to andre typene sorte hull er supermassive sorte hull (SMBH) og mikrosvarte hull. En enkelt SMBH kan inneholde massen av millioner eller milliarder av soler. Mikrosorte hull er, som navnet tilsier, veldig små. De har kanskje bare 20 mikrogram masse. I begge tilfeller er mekanismene for deres opprettelse ikke helt klare. Mikrosorte hull eksisterer i teorien, men har ikke blitt direkte oppdaget.
Supermassive sorte hull er funnet å eksistere i kjernene til de fleste galakser, og deres opprinnelse er fortsatt heftig diskutert. Det er mulig at supermassive sorte hull er et resultat av en sammenslåing mellom mindre sorte hull med stjernemasse og andre saken . Noen astronomer antyder at de kan bli skapt når en enkelt svært massiv (hundrevis av ganger solens masse) stjerne kollapser. Uansett er de massive nok til å påvirke galaksen på mange måter, alt fra effekter på stjernefødselsrater til banene til stjerner og materiale i deres nærhet.
Mange galakser har supermassive sorte hull i kjernen. Hvis de aktivt 'spiser', avgir de enorme stråler og er kjent som aktive galaktiske kjerner. NASA/JPL-Caltech
Mikrosorte hull, derimot, kan dannes under kollisjonen av to svært høyenergiske partikler. Forskere antyder at dette skjer kontinuerlig i den øvre atmosfæren på jorden og sannsynligvis vil skje under partikkelfysikkeksperimenter på slike steder som CERN.
Hvordan forskere måler svarte hull
Siden lys ikke kan unnslippe området rundt et svart hull som er påvirket av hendelseshorisonten, kan ingen virkelig 'se' et sort hull. Imidlertid kan astronomer måle og karakterisere dem etter effektene de har på omgivelsene. Sorte hull som er i nærheten av andre objekter, utøver en gravitasjonseffekt på dem. For det første kan masse også bestemmes av materialets bane rundt det sorte hullet.
En modell av et sort hull omgitt av oppvarmet ionisert materiale. Det kan være slik det sorte hullet i Melkeveien 'ser ut'. Brandon DeFrise Carter, CC0, Wikimedia.
I praksis utleder astronomer tilstedeværelsen av det sorte hullet ved å studere hvordan lys oppfører seg rundt det. Svarte hull, som alle massive objekter, har nok gravitasjonskraft til å bøye lysets vei når det passerer forbi. Når stjernene bak det sorte hullet beveger seg i forhold til det, vil lyset som sendes ut av dem virke forvrengt, eller stjernene vil se ut til å bevege seg på en uvanlig måte. Fra denne informasjonen kan posisjonen og massen til det sorte hullet bestemmes.
Dette er spesielt tydelig i galaksehoper der den kombinerte massen av hopene, deres mørke materie og deres sorte hull skaper merkelig formede buer og ringer ved å bøye lyset fra fjernere objekter når det passerer forbi.
Astronomer kan også se sorte hull ved strålingen det oppvarmede materialet rundt dem avgir, for eksempel radio eller røntgenstråler. Hastigheten til det materialet gir også viktige ledetråder til egenskapene til det sorte hullet det prøver å unnslippe.
Hawking stråling
Den siste måten astronomer kan oppdage et sort hull på er gjennom en mekanisme kjent som Hawking-stråling . Oppkalt etter den berømte teoretiske fysikeren og kosmologen Stephen Hawking , Hawking-stråling er en konsekvens av termodynamikk som krever at energi slipper ut fra et sort hull.
Grunntanken er at, på grunn av naturlige interaksjoner og svingninger i vakuumet, vil stoffet bli skapt i form av et elektron og anti-elektron (kalt et positron). Når dette skjer nær hendelseshorisonten, vil en partikkel skytes ut fra det sorte hullet, mens den andre vil falle ned i gravitasjonsbrønnen.
For en observatør er alt som er 'sett' en partikkel som sendes ut fra det sorte hullet. Partikkelen vil bli sett på som å ha positiv energi. Dette betyr ved symmetri at partikkelen som falt ned i det sorte hullet ville ha negativ energi. Resultatet er at når et svart hull eldes, mister det energi, og mister derfor masse (ved Einsteins berømte ligning, E=MCto, hvor OG =energi, M =masse, og C er lysets hastighet).
Redigert og oppdatert avCarolyn Collins Petersen.