I de sammenfiltrede kamrene med sorte hull kolliderer to grunnleggende teorier om vår verden. Eksisterer sorte hull? Det ser ut til at ja. Kan de grunnleggende problemene som dukker opp ved nærmere ettersyn av sorte hull, løses? Ukjent. For å forstå hva forskere har å gjøre med, må du dykke litt i historien til studiet av disse uvanlige objektene. Og vi vil begynne med det faktum at av alle kreftene som eksisterer i fysikken, er det en som vi ikke forstår i det hele tatt: tyngdekraften.
Tyngdekraft er skjæringspunktet mellom grunnleggende fysikk og astronomi, grensen der to av de mest grunnleggende teoriene som beskriver vår verden kolliderer: kvanteteori og Einsteins teori om romtid og tyngdekraft, også kjent som generell relativitet.
Sorte hull og tyngdekraft
Disse to teoriene ser ut til å være inkompatible. Og det er ikke en gang et problem. De eksisterer i forskjellige verdener, kvantemekanikk beskriver veldig liten, og generell relativitet beskriver veldig stor.
Det er først når du kommer til ekstremt små skalaer og ekstrem tyngdekraft at disse to teoriene kolliderer, og på en eller annen måte viser det seg at en av dem er feil. I alle fall følger det av teorien.
Men det er ett sted i universet der vi faktisk kunne være vitne til dette problemet, og kanskje til og med løse det: kanten av et svart hull. Det er her vi møter den mest ekstreme tyngdekraften. Men det er ett problem: ingen har noensinne "sett" et svart hull.
Salgsfremmende video:
Hva er et svart hull?
Se for deg at alt dramaet i den fysiske verden utspiller seg i romtidens teater, men tyngdekraften er den eneste kraften som faktisk endrer teateret det spilles i.
Tyngdekraften styrer universet, men det er kanskje ikke engang en styrke i tradisjonell forstand. Einstein beskrev det som en konsekvens av deformasjonen av rom-tid. Og kanskje det bare ikke passer inn i standardmodellen for partikkelfysikk.
Når en veldig stor stjerne eksploderer på slutten av livet, kollapser den innerste delen under sin egen tyngdekraft, da det ikke lenger er nok drivstoff til å opprettholde press mot tyngdekraften. Når alt kommer til alt er tyngdekraften fremdeles i stand til å utøve kraft, det virker som dette.
Materie kollapser og ingen kraft i naturen kan forlate denne kollapsen.
Over en uendelig tid kollapser en stjerne til et uendelig punkt: en singularitet, eller la oss kalle det et svart hull. Men i en begrenset tid vil selvfølgelig den stjernekjernen kollapse i noe av endelige dimensjoner, og vil fortsatt ha en enorm masse i et uendelig lite område. Og det vil også bli kalt et svart hull.
Sorte hull suger ikke alt rundt
Bemerkelsesverdig er ideen om at et svart hull uunngåelig vil suge alt inn i seg selv.
Uansett om du går i bane rundt en stjerne eller et svart hull dannet av en stjerne, spiller det ingen rolle så lenge massen forblir den samme. God gammeldags sentrifugalkraft og vinkelmomentet ditt vil holde deg trygg og forhindre at du faller.
Det er først når du bruker rakettbremsene dine for å avbryte spinnet at du begynner å falle innover.
Så snart du begynner å falle i svarte hull, vil du imidlertid gradvis akselerere til stadig høyere hastigheter til du endelig når lysets hastighet.
Hvorfor er kvanteteori og generell relativitet uforenlig?
For øyeblikket går alt i stykker, siden i samsvar med generell relativitet, kan ingenting bevege seg raskere enn lysets hastighet.
Lys er et underlag som brukes i kvanteverdenen for å utveksle krefter og transportere informasjon til makrokosmos. Lys bestemmer hvor raskt du kan koble til årsak og virkning. Hvis du beveger deg raskere enn lys, kan du se hendelser og endre ting før de skjer. Og dette har to konsekvenser:
- På det punktet hvor du når lysets hastighet ved å falle innover, må du også fly ut av dette punktet med en enda høyere hastighet, noe som virker umulig. Derfor vil konvensjonell fysisk visdom fortelle deg at ingenting kan forlate et svart hull ved å bryte denne barrieren, som vi også kaller "hendelseshorisonten."
- Det følger også av dette at de grunnleggende prinsippene for bevaring av kvanteinformasjon plutselig brytes.
Hvorvidt dette er sant og hvordan kan vi endre teorien om tyngdekraft (eller kvantefysikk) er spørsmål som mange fysikere leter etter svar på. Og ingen av oss kan si hvilke argumenter vi vil ende opp med.
Eksisterer sorte hull?
Det er klart, all denne spenningen ville være rettferdiggjort bare hvis sorte hull virkelig fantes i dette universet. Så eksisterer de?
Det siste århundret er det endelig bevist at noen binære stjerner med intense røntgenstråler faktisk er stjerner som har kollapset i sorte hull.
I sentrum av galakser finner vi dessuten ofte bevis på enorme, mørke massekonsentrasjoner. Dette kan være supermassive versjoner av sorte hull, sannsynligvis dannet ved sammenslåing av mange stjerner og gassskyer som stupte inn i sentrum av galaksen.
Bevisene er sterke, men omstendighetsmessige. Gravitasjonsbølger lot oss i det minste "høre" sammenslåingen av sorte hull, men signaturen til hendelseshorisonten er fremdeles unnvikende, og vi har aldri "sett" sorte hull før nå - de er rett og slett for små, for fjerne og i de fleste tilfeller for svarte.
Hvordan ser et svart hull ut?
Hvis du ser direkte inn i et svart hull, vil du se det mørkeste mørket som kan tenkes.
Men de umiddelbare omgivelsene til det sorte hullet kan være lyse nok når gassene spiral innover - avtar ved motstanden til magnetfeltene de fører.
På grunn av magnetisk friksjon blir gassen oppvarmet til enorme temperaturer på flere titalls milliarder grader og begynner å avgi ultrafiolette og røntgenstråler.
Ultra-varme elektroner som samhandler med magnetfeltet i gassen begynner å produsere intens radioutslipp. Dermed kan svarte hull gløde og kan omringes av en ring av ild som avgir på forskjellige bølgelengder.
Ildring med et svart-svart sentrum
Og likevel, midt i midten, fanger hendelseshorisonten, som en rovfugl, hvert foton som kommer for nær.
Siden plassen er buet av den enorme massen av det sorte hullet, bøyer også lysbanene seg og danner til og med nesten konsentriske sirkler rundt det sorte hullet, som serpentiner rundt en dyp dal. Denne ringen av lyseffekt ble beregnet allerede i 1916 av den berømte matematikeren David Hilbert bare noen måneder etter at Albert Einstein fullførte sin teori om generell relativitet.
Etter å ha krysset det sorte hullet flere ganger, kan noen av lysstrålene slippe ut, mens andre havner i hendelseshorisonten. På denne kompliserte lysbanen kan du bokstavelig talt kikke deg inn i et svart hull. Og "ingenting" som ser ut for blikket ditt vil være hendelseshorisonten.
Hvis du tok et bilde av et svart hull, ville du se en svart skygge omgitt av en glødende tåke av lys. Vi kalte denne funksjonen svart hullskygge.
Bemerkelsesverdig synes denne skyggen å være større enn man kan forvente hvis vi tar diameteren til hendelseshorisonten som sin opprinnelse. Årsaken er at det sorte hullet fungerer som et gigantisk objektiv, og forsterker seg selv.
Skyggemiljøet vil bli representert av en ørliten "fotonring" på grunn av lyset som virvler rundt det sorte hullet nesten for alltid. I tillegg vil du se flere ringer av lys som dukker opp nær hendelseshorisonten, men konsentrerer deg rundt det svarte hullets skygge på grunn av linsevirkningen.
Fantasi eller virkelighet?
Kan et svart hull være en ekte oppfinnelse som bare kan modelleres på en datamaskin? Eller kan du se det i praksis? Svar: det er mulig.
Det er to relativt nærliggende supermassive sorte hull i universet som er så store og nærme at skyggene deres kan fanges opp ved hjelp av moderne teknologi.
I sentrum av Melkeveien vår er det sorte hull 26 000 lysår unna med en masse 4 millioner ganger solens masse og et svart hull i den gigantiske elliptiske galaksen M87 (Messier 87) med en masse på 3-6 milliarder solmasser.
M87 er tusen ganger lenger unna, men tusen ganger mer massiv og tusen ganger større, så begge objektene vil ha omtrent samme diameter som en skygge projisert på himmelen.
Se et korn med sennep i New York fra Europa
Ved en tilfeldighet forutsier enkle strålingsteorier at for begge objekter vil stråling generert nær hendelseshorisonten bli avgitt ved radiofrekvenser på 230 Hz og over.
De fleste av oss kommer bare over disse frekvensene når vi må gjennom en skanner på en moderne flyplass. Sorte hull svømmer stadig i dem.
Denne strålingen har en veldig kort bølgelengde - i størrelsesorden en millimeter - som lett tas opp av vann. For at et teleskop skal observere kosmiske millimeterbølger, må det plasseres høyt på et tørt fjell for å unngå å absorbere stråling i jordas troposfære.
I utgangspunktet trenger vi et millimeter teleskop som kan se en gjenstand på størrelse med et sennepsfrø i New York fra et sted i Nederland. Dette teleskopet vil være tusen ganger skarpere enn Hubble-romteleskopet, og på millimeterbølgelengder vil størrelsen på et slikt teleskop være Atlanterhavet eller større.
Et virtuelt teleskop på størrelse med jorden
Heldigvis trenger vi ikke å dekke jorden med en eneste radioskål, fordi vi kan bygge et virtuelt teleskop med samme oppløsning, og kombinerer data fra teleskoper i forskjellige fjell rundt jorden.
Denne teknikken kalles blenderåpningssyntese og veldig lang grunnleggende interferometri (VLBI). Ideen er ganske gammel og bevist gjennom flere tiår, men først nå har det blitt mulig å bruke den på høye radiofrekvenser.
De første vellykkede eksperimentene viste at strukturene i hendelseshorisonten kan undersøkes ved slike frekvenser. Nå er det alt du trenger for å utføre et slikt eksperiment i stor skala.
Arbeidet er allerede i gang
BlackHoleCam-prosjektet er et europeisk prosjekt for det ultimate bildet, måling og forståelse av astrofysiske sorte hull. Det europeiske prosjektet er del av et globalt samarbeid - Event Horizon Telescope-konsortiet, som inkluderer mer enn 200 forskere fra Europa, Amerika, Asia og Afrika. Sammen ønsker de å ta det første bildet av et svart hull.
I april 2017 observerte de det galaktiske sentrum og M87 med åtte teleskoper på seks forskjellige fjell i Spania, Arizona, Hawaii, Mexico, Chile og Sydpolen.
Alle teleskoper var utstyrt med presise atomklokker for å synkronisere dataene sine nøyaktig. Forskere registrerte flere petabyte rå data, takket være overraskende gode værforhold rundt om i verden den gangen.
Bilde av et svart hull
Hvis forskere klarer å se hendelseshorisonten, vil de vite at problemene som oppstår i krysset mellom kvante teori og generell relativitet ikke er abstrakte, men veldig reelle. Kanskje det er da de kan løses.
Dette kan gjøres ved å skaffe klarere bilder av skyggene av svarte hull, eller ved å spore stjerner og pulsarer på vei rundt svarte hull, ved å bruke alle tilgjengelige metoder for å studere disse objektene.
Kanskje er det sorte hull som vil bli våre eksotiske laboratorier i fremtiden.
Ilya Khel
