Svart hål
Ett svart hål är en koncentration av massa med ett gravitationsfält som är så starkt att flykthastigheten i dess närhet överstiger ljushastigheten. Detta innebär att ingenting, inte ens ljuset, kan övervinna kroppens gravitation, varav förledet svart. Vad beträffar efterledet hål rör det sig inte om något hål i vanlig mening, utan om ett område i rymden varifrån inget undslipper.
"Svarta hål" i denna betydelse finns som en lösning till den allmänna relativitetsteorin. Därmed är inte bevisat att de också verkligen existerar. Enligt den klassiska tolkningen av denna - klassisk allmän relativitetsteori - kan ingen materia eller information lämna ett svart håls innandöme så att det kan iakttas av en utanförvarande åskådare. Man kan inte hämta ut någon massa, inte få en reflektion eller spegelbild genom att belysa det med en ljuskälla, inte få någon information om materia som försvunnit in i hålet och så vidare. Kvantmekaniken medger dock vissa avvikelser från denna regel. Svarta håls eller likartade massiva objekts faktiska existens i rymden har stöd i både teori och astronomiska observationer.
Innehåll
Idéhistoria
Idén om en kropp så massiv att inte ens ljus kan undslippa den lades först fram av den brittiske geologen John Mitchell 1783. Newtons gravitationsteori och begreppet flykthastighet var vid denna tid ganska väl kända. Mitchell beräknade att en kropp med 500 gånger solens radie och ungefär samma densitet skulle ha en flykthastighet på ytnivån som motsvarade ljusets hastighet, vilket betydde att kroppen skulle vara osynlig. Mitchell ansåg det var osannolikt men fullt möjligt att många sådana objekt skulle kunna finnas i kosmos.
1796 lade den franske matematikern Pierre Simon de Laplace fram samma idé i sin Exposition du Système du Monde. Avsnittet fanns i de två första utgåvorna men togs bort från och med den tredje. Idén om svarta hål fick mycket lite uppmärksamhet under 1800-talet eftersom ljus ansågs vara en vågrörelse som saknade massa och inte påverkades av gravitation.
Albert Einsteins allmänna relativitetsteori 1915 förändrade detta. Han hade redan tidigare visat att gravitation faktiskt påverkar ljus. Några månader efter publiceringen av allmänna relativitetsteorin publicerade Karl Schwarzschild lösningen på ekvationen som beskriver gravitationsfältet hos en punktformig massa i en i övrigt tom rymd och antydde därmed att det vi idag kallar svart hål teoretiskt kunde existera. Schwarzschild-radien är idag känd som radien hos ett icke roterande svart hål men förstods inte då - Schwarzschild själv trodde inte att fenomenet manifesterade sig fysiskt.
Robert Oppenheimer förutsade att massiva stjärnor kunde genomgå en dramatisk gravitationskollaps. Svarta hål kunde i princip uppstå i naturen. Under en period kallades sådana kroppar frusna stjärnor eftersom kollapsen skulle kunna iakttagas som en hastig nedsaktning för att sedan övergå i rött närmare Schwarzschildradien. De tills vidare hypotetiska svarta hålen fick dock inte särskilt mycket uppmärksamhet förrän under det sena 1960-talet.
Intresset för sammanstörtade objekt tändes på nytt 1967 i och med upptäckten av pulsarer. Kort därefter myntades termen svart hål (black hole) av den teoretiske fysikern John Wheeler. Dessförinnan hade uttrycket svart stjärna (black star) emellanåt använts.
Händelsehorisonten
Ett svart håls "yta" utgörs av den så kallade händelsehorisonten, en teoretisk, sfärisk yta som innesluter kroppens hela massa. På händelsehorisonten är flykthastigheten lika med ljusets hastighet. Ingenting innanför händelsehorisonten, inte ens en foton, kan nå händelsehorisonten inifrån kroppen. Partiklar utanför händelsehorisonten kan falla in, passera händelsehorisonten, och kommer sedan aldrig att kunna komma ut.
Svarta hål i verkligheten
Finns svarta hål?
Kvantitativ analys av detta resonemang ledde till förutsägelsen att stjärnor med ungefär tre gånger solens massa nästan säkert kommer att nå en fas i sin utveckling då allt nukleärt bränsle är förbrukat och stjärnan börjar krympa in mot den gräns då en gravitationskollaps är oundviklig. När processen en gång börjat finns ingen fysisk kraft som kan stoppa den och ett svart hål kommer att uppstå.
Supermassiva svarta hål med massa motsvarande miljoner eller miljarder gången solens massa skulle också kunna skapas om tillräckligt många stjärnor befann sig på ett tillräckligt område i rymden eller tillräckligt många sögs in i ett ursprungligt svart hål, alternativ om flera svarta hål slogs samman. De nödvändiga förutsättningarna tros finnas allmänt i centrum av större galaxer inklusive Vintergatan.
Kan de upptäckas?
Teorin dikterar att vi inte kan upptäcka svarta hål genom att iaktta ljus som utstrålas eller reflektera från dem. Däremot kan de upptäckas genom observation av objekt i deras närhet. Ledtrådar kan vara gravitationslinser eller kroppar vars rörelse förefaller påverkas av osynliga objekts gravitation.
Den mest avslöjande manifestationen av ett svart hål tros komma från materia på väg att slukas av det svarta hålet, vilken samlas i en virvel liknande vatten vid ett avlopp, en ackretionsskiva med extremt hög temperatur och rotationsfart. Friktionen mellan materien i denna disk genererar så mycket energi att stora mängder värmestrålning och röntgenstrålning utsänds. Värmeutvecklingen är mycket effektiv och kan omvandla upp till 50% av en partikels massa till strålning, jämfört med fusion som endast omvandlar några få procent. Ett annat iakttagbart fenomen är tunna strålar av materia som med relativistisk fart kastas ut längs med diskens centrumaxel.
Ackretionsskivor, utkastningsstrålar och roterande objekt finns dock alla även nära andra objekt, som till exempel neutronstjärnor; kroppars beteende nära sådana objekt som alltså inte är svarta hål stämmer inte helt, men mycket nära, överens med beteendet omkring ett svart hål. Därför antyder oftast en iakttagen ackretionsskiva och påverkade rörelser bara att ett objekt med en viss massa finns på en plats, och säger ingenting om denna massas natur. Fastställandet av ett svart hål förutsätter också att inga andra typer av objekt eller sammanlänkade system av objekt kan ha denna massa och kompakthet. De flesta astrofysiker antar att detta verkligen är fallet, eftersom enligt allmänna relativitetsteorin varje tillräcklig koncentration av massa av nödvändighet måste störta samman till ett superkompakt objekt.
En viktig iakttagbar skillnad mellan svarta hål och andra massiva objekt är att materia som faller in mot objektet slutligen måste kollidera med detta med relativistisk hastighet och ge upphov till intensivt uppflammande röntgenstrålning och annan strålning. Avsaknaden av sådan strålning från ett gravitationscentrum tyder alltså på att objektet är ett svart hål och saknar yta som infallande materia kan kollidera med. Hithörande frågor avhandlas inom högenergiastrofysik.
Har vi hittat dem?
En betydande mängd astronomisk observationsbevis för svarta hål har hunnit inkomma, i två skilda kategorier:
- stellära svarta hål, med massa liknande en vanlig stjärna (4-15 gånger solens massa).
- supermassiva svarta hål med massa omkring kanske 1% av massan hos en typisk galax. De supermassiva objekten observeras indirekt genom att iaktta hur omkringliggande objekt och materia uppträder.
Stellära svarta hål identifieras i första hand genom iakttagelser av ackretionsskivor med rätt storlek och hastighet men med avsaknad av den uppflammande strålning som andra massiva objekt uppvisar. Stellära svarta hål anses ha koppling till förekomsten av gammablixtar.
De första kandidaterna till svarta hål hittades i aktiva galaxcentra och kvasarer, båda upptäckta av radioastronomer på 1960-talet. Den effektiva omvandlingen av massa genom friktionen i ackretionsskivan till ett svart hål förefaller vara den enda tillgängliga förklaringen till de enorma mängder energi som utstrålas av dessa objekt. Framläggandet av denna teori på 1970-talet undanröjde också den betydande invändningen mot att kvasarer skulle vara avlägsna galaxer, nämligen att ingen fysisk mekanism vore kapabel att generera så mycket energi.
Utifrån 1980-talets observationer av stjärnors rörelser nära galaxcentra antas numera att supermassiva kompakta objekt måste finnas i centrum av de flesta galaxerna, inklusive Vintergatan. Sagittarius A* anses allmänt vara den mest sannolika kandidaten för platsen för ett supermassivt objekt i centrum av Vintergatan.
Den nuvarande bilden är att alla galaxer har ett supermassivt kompakt objekt nära centrum, och enorm strålning utsänds när dessa svarta hål suger in gas och damm - tills dess att all närliggande materia sugits in och processen avstannar. Den modellen förklarar också elegant varför det inte finns några närliggande kvasarer. Detaljerna är inte utredda, men det verkar sannolikt att tillväxten hos det svarta hålet i galaxens centrum är intimt förknippat med tillväxten hos den sfäriska komponenten i en galax form - antingen det är en elliptisk galax eller rör sig om den tjockare delen av en spiralgalax - i vilken den är belägen. Intressant är också att det inte finns några indikationer på massiva svarta hål i centrum av klotformade stjärnhopar vilket antyder att dessa är fundamentalt annorlunda än galaxer.
