På sporet af sorte hullers hemmelighed

Sorte huller bliver mere og mere vigtige for vores forståelse af universet. Der dukker efterhånden sorte huller op alle steder, og vi bliver konstant bedre til at opdage dem. Men hvordan finder man ud af noget om et legeme, som vi slet ikke forstår, og som ikke overholder fysikkens love? Få et bud her.

Sorte huller er i sandhed bizarre. Einsteins generelle relativitetsteori siger, at de er objekter, hvor tyngdekraften er gået amok, og hvor ikke engang lyset kan undslippe et nådesløst greb. Her er tætheden i molekylerne og energiniveauerne så ufatteligt høje, at alle kendte og teoretiske love i fysikken ikke kan forklare det.

Hvis man kan udtale ordet ’singularitet’, så er man nogenlunde lige så klar i mælet om sorte hullers indre, som selv de dygtigste astrofysikere i verden. For det er ganske enkelt ikke kendt, hvad kernen i et sort hul består af. Til gengæld bliver det mere og mere tydeligt, at sorte huller har centrale roller i blandt andet galaksernes liv.

Sorte huller begynder at dukke op overalt, efterhånden som vi bliver bedre til at lede. Nu ved vi, at der findes et inde i midten af vores galakse, og at de findes både større og kraftigere derude. (ill: NASA, E/PO, Sonora State University)

Med hjælp fra de teknologiske fremskridt ved vi i dag, at der er et supermassivt sort hul i midten af de fleste store galakser, vi kender til. Man ved også nu, at der er et supermassivt sort hul i centrum af vores egen galakse.  Man er lige så stille begyndt at spørge sig selv, om de enorme ’monstre’ endda har en form for aktiv rolle i dannelsen af galakser?

Men hånden på hjertet: vi aner stort set ikke noget om sorte huller og deres indre på nuværende tidspunkt. Men kosmologer på Aarhus Universitet har nu påvist en metode ved hjælp af computersimuleringer, der kan hjælpe os med at blive klogere, når teknologien indhenter fysikerne.

”Inde i midten af vores galakse findes der flere tusinde stjerner i en kaotisk udseende stjernehob, hvor de bevæger sig med meget store hastigheder. Nogle af dem bevæger sig ret ekstremt, hvor deres bane og hastighed varierer utroligt – indtil man sætter et sort hul ind i ligningen. Det var det, der i sin tid gjorde det muligt at påvise det sorte hul i Mælkevejens midte,” forklarer astrofysiker Jonas Helboe Jørgensen, der er førsteforfatter på en nylig udgivet artikel fra Aarhus Universitet om emnet.

Det sorte hul kaldes ’Sagittarius A*’, og er et supermassivt sort hul. For vores teknologiske øjne er det dog for småt til at få øje på i sig selv derinde i midten af galaksen. Det er her, den gode idé kommer ind i billedet – bogstaveligt talt:

”…for Sgr A* påvirker sine omgivelser, der består af myriader af stjerner inde mod centrum af vores galakse, og de er relativt simple at få øje på. Man har fulgt flere af dem i årevis, og med en af de mest velkendte som reference, kan det måske blive muligt at begynde at observere indirekte på Sgr A*, ved at bruge stjernernes lys som pejlemærker. Så kunne vi sige noget om dets opførsel,” siger professor Steen Hannestad fra Institut for Fysik og Astronomi.

Selv ikke lyset kan slippe fri fra et sort hul, når først fotonerne har krydset begivenhedshorisonten. Derfor ser man ikke et sort hul i sig selv, men ser på de påvirkninger, som finder sted omkring det. På illustrationen her kan man se, hvordan tyngdekraften fra det sorte hul vrider universet omkring sig som et hurlumhejhus-spejl. Det sker ved, at lyset fra stjernerne bag det sorte hul bliver tvunget uden om begivenhedshorisonten, så lyset ser ud som på billedet. Det er dette fænomen, man kalder for ’gravitational lensing’. (ill: NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (STScI)

Kosmisk sving-om
Sorte huller er svære at opdage, fordi man ikke kan observere et sort hul på samme måde, som man observerer stjerner, der udsender lys for eksempel.

Astrofysikere taler om et sort huls størrelse ved at beskrive dets begivenhedshorisont – eller Schwarzschild-radius. Det svarer til den afstand fra det sorte huls kerne, hvor lysfotoner lige netop kan slippe væk fra hullet. Alt hvad der foregår bag et sort huls begivenhedshorisont kan vi ikke se. Dermed er den dybere forståelse af tyngdekraften gemt et sted, hvor vi indtil videre ikke har muligheder for at observere, hvad der foregår.

Den måde man trods alt finder ud af noget om de sorte huller er ved at se på de effekter, de har på deres omgivelser. Det sker f.eks. ved at måle røntgenstråling fra stof, der suges ind i dem og ved at observere dem indirekte med forskellige teknikker, hvor man bl.a. fokuserer på horisonten og de lysfotoner, der undslipper.

En af de teknikker kaldes for ’gravitational lensing’ , hvor man i overført betydning forestiller sig, at det sorte hul fungerer som en slags kameralinse, der vrider lyset omkring sig, så stjernelyset ser ud som om, det er trukket ud. AU-gruppen har så kombineret dette fænomen med et, hvor det sorte hul roterer om sig selv. Denne ekstra påvirkning fra tyngdekraften vil betyde, at stjernernes lys vil se anderledes ud for os.

”Vi leder efter en effekt, som vi kalder for frame-dragging, hvor man trækker billedet ekstra ud. Det kan måske sammenlignes med den måde, en væske hvirvles rundt af et piskeris – hvor piskeriset trækker molekyler rundt om sig selv, før de slynges videre. Her er det så selvfølgelig lysfotoner og sorte hullers afsindige tyngdekraft, vi snakker om, men i princippet kan man sige, at lyset får en sving om, og sendes afsted i en ny retning end det oprindeligt havde,” forklarer astrofysiker Ole Eggers Bjælde, der er den tredje AU-forsker, der har bidraget til projektet.

To for ens pris
Frame-dragging kan vise sig en god hjælper her, fordi centeret i Mælkevejen efterhånden har nogle fikspunkter, som astrofysikere har beskrevet godt gennem tiden. Et af dem er en stjerne, der er kendt som S2. Den er i kredsløb om det sorte hul i en cyklus, som er kendt med en lysstyrke, der også er rimelig velbeskrevet.

”Tanken er så at bruge flere forskellige optagelser af stjernen til at se, hvordan det sorte huls rotation påvirker stjernelyset. Vi ved, hvordan tingene burde se ud, når S2 kommer i nærheden af det sorte hul – og dermed vil vi ifølge vore beregninger kunne måle os frem til uregelmæssigheder, som kan sige noget om det sorte huls rotation.

Det ville give os helt nye muligheder for at søge informationer om nogle af de – bogstaveligt talt – største mysterier, vi kender til derude nu,” forklarer Jonas Helboe Jørgensen.

To gange lys fra den samme stjerne: Nederst i hjørnet ses, hvordan diagrammerne ser ud, når de teoretiske udregninger er gennemført. Man ser, at punkt 1 og 2 er forskellige steder; punkt 1 er selve stjernen og pkt 2 er et slags 'fatamorgana', som kun ses pga det sorte huls tyngdekraft og rotation. Tilsammen vil de to ’stjerner’ udsende mere lys mod os, som vil vise sig som en forstørrelse i billedet, som vi ser. Rotationen vil så at sige skifte linsen for det billede, vi får ned til os, og give information om rotationens hastighed og retning ved at trække i lysets bane omkring sig.

Store huller i vores viden
Det største sorte hul, der er kendt nu, hedder S5 0014+81, og det er omkring 40.000.000.000 gange så massivt som vores Sol. Det er 236,7 milliarder kilometer i diameter – eller rundt regnet 47 gange den afstand der er mellem Solen og Pluto. 

”Det er jo et fantastisk stort tal, som kan tjene til at vi taber kæben lidt. Samtidig kan man også bruge det som en analogi på, at der er rigtig mange ting, vi endnu ikke ved noget om i Universet. Her er der virkelig et hul i vores viden, i hvert fald.

Det er et åbent spørgsmål, hvordan de supermassive sorte huller opstår. Astrofysikere verden over er rimeligt enige om, at når det sorte hul er der, kan det akkumulere masse fra sine omgivelser og vokse sig til et supermassivt sort hul. Men hvor begynder det hele? Det er det, vi forsøger at finde ud af med det her.

Det her handler ikke så meget om, hvor stort et sort hul er i denne sammenhæng - men om, hvordan det er opstået og hvad det består af inde i midten,” forklarer Steen Hannestad.

Der findes en række hypoteser omkring mekanismerne bag, men der kan måske findes nogle ledetråde, hvis man kan observere, hvordan de her gigantiske sorte huller roterer. En af de måder, som ’mindre’ sorte huller skabes, er, når en kæmpestjerne dør. Hvis vi går tilbage til den stjernes fødsel, så er den skabt i en stjernetåge, der roterede om sig selv. Denne bevægelse blev omdannet til rotation i stjernen efterhånden som præ-solare atomer klumpedes sammen og dannede stjernen.

Hvis vi så spoler frem til det punkt, hvor stjernen omdannes til et sort hul, så vil der stadig være en meget stor del af den stjernemasse, men nu er det presset sammen til ufattelig høj kompression. Dermed øges hastigheden i rotationen – meget. Helt som når børn trækker armene ind, for at dreje hurtigere rundt, mens de snurrer rundt i en karrusel.

Du er, hvad du ’spiser’
Historien om oprindelsen og om det, som det sorte hul har konsumeret gennem tiden, kan altså gemme sig i nogle få informationer: Dets omdrejning og retning. Hvis det viser sig, at man kan påvise det hos de supermassive sorte huller, som vi finder i midten af galakser, vil det dermed kunne åbne for ny indsigt i disse gigantiske og mystiske legemer i rummet.

”Vi er bare ikke der, hvor vi kan sidde og følge med i 2017, når S2 igen kommer tæt på det sorte hul inde i Mælkevejen. Vi er ramt af en begrænsning i de teknologiske muligheder, som gør det umuligt. De teleskoper vi skal bruge findes ganske enkelt ikke endnu. Men med disse beregninger kan vi nu vise, at der er plausible måder at finde ind i de sorte hullers natur.

Det tegner en spændende fremtid, hvor vi nærmest står på tærsklen til at åbne et nyt område for fysikken. Med fundet for nylig af gravitationsbølger fra sorte huller, begynder der at tegne sig et billede af, at de vil komme til at fylde endnu mere i erkendelserne af universet,” siger Ole Eggers Bjælde.