Svarte hull er kanskje de mest mystiske objektene i universet. Med mindre selvfølgelig ting er skjult et sted i dypet, eksistensen vi ikke kjenner til og ikke kan vite, noe som er usannsynlig. Svarte hull er kolossal masse og tetthet, komprimert til ett punkt i en liten radius. De fysiske egenskapene til disse objektene er så rare at de puslespillet med de mest sofistikerte fysikerne og astrofysikerne. Sabine Hossfender, en teoretisk fysiker, samlet et utvalg av ti fakta om sorte hull som alle burde vite.
Hva er et svart hull?
Den definerende egenskapen til et svart hull er dens horisont. Dette er en grense utover som ingenting, ikke engang lys, kan komme tilbake. Hvis et frittliggende område blir løsrevet for alltid, snakker vi om en "begivenhetshorisont". Hvis den bare skilles midlertidig, snakker vi om den "synlige horisonten." Men dette "midlertidige" kan også bety at regionen vil være adskilt i mye lenger tid enn dagens univers. Hvis det svarte hullets horisont er midlertidig, men langvarig, er forskjellen mellom det første og det andre uskarpt.
Hvor store er sorte hull?
Du kan forestille deg horisonten til et svart hull som en kule, og dens diameter vil være direkte proporsjonal med massen av det svarte hullet. Derfor, jo mer masse faller inn i det sorte hullet, jo større blir det sorte hullet. Sammenlignet med stjernegjenstander er imidlertid sorte hull små, fordi massen blir komprimert til veldig små volumer under påvirkning av uimotståelig gravitasjonstrykk. Radien til et svart hull med en masse på planeten Jorden er for eksempel bare noen få millimeter. Dette er 10.000.000.000 ganger mindre enn jordens nåværende radius.
Kampanjevideo:
Radien til et svart hull kalles Schwarzschild-radius etter Karl Schwarzschild, som først utledet sorte hull som en løsning på Einsteins generelle relativitetsteori.
Hva skjer i horisonten?
Når du krysser horisonten, skjer det ikke noe spesielt rundt deg. Alt på grunn av Einsteins ekvivalensprinsipp, som det følger av at du ikke finner forskjellen mellom akselerasjonen i flatt rom og gravitasjonsfeltet som skaper krumningen i rommet. Imidlertid vil en observatør vekk fra det svarte hullet som ser på at noen andre faller inn i det legge merke til at personen vil bevege seg mer og mer sakte og nærmer seg horisonten. Som om tiden beveger seg saktere nær begivenhetshorisonten enn langt fra horisonten. Imidlertid vil det gå litt tid, og observatøren som faller i hullet vil krysse begivenhetshorisonten og finne seg inne i Schwarzschild-radiusen.
Hva du opplever i horisonten, avhenger av tidevannskreftene i gravitasjonsfeltet. Tidevannskreftene i horisonten er omvendt proporsjonal med kvadratet til det svarte hullets masse. Dette betyr at jo større og mer massivt det svarte hullet, jo mindre styrke. Og hvis bare det sorte hullet er massivt nok, kan du krysse horisonten før du til og med merker at noe skjer. Effekten av disse tidevannskreftene vil strekke deg: det tekniske begrepet fysikere bruker for dette er spaghettifisering.
I de tidlige dagene med generell relativitet ble det antatt at det var en unikhet i horisonten, men dette viste seg ikke å være tilfelle.
Hva er inne i et svart hull?
Ingen vet sikkert, men definitivt ikke bokhyllen. Generell relativitetsteori forutsier at det er en singularitet i et svart hull, et sted der tidevannskreftene blir uendelig store, og når du først krysser begivenhetshorisonten, kan du ikke gå andre steder enn inn i singulariteten. Følgelig er det bedre å ikke bruke generell relativitet på disse stedene - det fungerer rett og slett ikke. For å fortelle hva som skjer inne i et svart hull, trenger vi en teori om kvantegravitasjon. Det er generelt akseptert at denne teorien vil erstatte singulariteten med noe annet.
Hvordan dannes sorte hull?
Vi vet for øyeblikket om fire forskjellige måter sorte hull dannes på. Den beste forståelsen er assosiert med stjernekollaps. En stor nok stjerne danner et svart hull etter at kjernefusjonen stopper, fordi alt som allerede kunne blitt syntetisert, er blitt syntetisert. Når trykket skapt av fusjon opphører, begynner materie å falle mot sitt eget tyngdepunkt og bli mer og mer tett. Til slutt blir det så tett at ingenting kan overvinne gravitasjonseffekten på stjernens overflate: slik blir et svart hull født. Disse svarte hullene kalles "solmasse sorte hull" og er de vanligste.
Den neste vanlige typen sorte hull er det "supermassive sorte hullet", som finnes i sentrum av mange galakser, og som har masser omtrent en milliard ganger så mange solhull. Det er ennå ikke kjent nøyaktig hvordan de dannes. Det antas at de en gang begynte som svarte hull med solmasse som konsumerte mange andre stjerner i tett befolkede galaktiske sentre og vokste. Imidlertid ser det ut til at de absorberer materie raskere enn denne enkle ideen antyder, og hvor nøyaktig de gjør det, er fortsatt et spørsmål om forskning.
En mer kontroversiell idé var urhellige sorte hull, som kunne ha blitt dannet av nesten hvilken som helst masse i store tetthetssvingninger i det tidlige universet. Selv om det er mulig, er det vanskelig å finne en modell som produserer dem uten å overskape dem.
Til slutt er det den veldig spekulative ideen om at små svarte hull med masser nær Higgs-bosonets kunne dannes ved Large Hadron Collider. Dette fungerer bare hvis universet vårt har ekstra dimensjoner. Så langt har det ikke vært noen bekreftelse til fordel for denne teorien.
Hvordan vet vi at det finnes sorte hull?
Vi har mye observasjonsbevis for kompakte gjenstander med store masser som ikke avgir lys. Disse gjenstandene gir seg bort ved gravitasjonsattraksjon, for eksempel på grunn av bevegelse av andre stjerner eller gassskyer rundt dem. De lager også gravitasjonslinser. Vi vet at disse objektene ikke har en solid overflate. Dette følger av observasjoner, fordi materie som faller på et objekt med en overflate burde forårsake frigjøring av flere partikler enn materie som faller gjennom horisonten.
Hvorfor sa Hawking i fjor at sorte hull ikke eksisterer?
Han mente at sorte hull ikke har en evig begivenhetshorisont, men bare en midlertidig tilsynelatende horisont (se avsnitt ett). I streng forstand er bare begivenhetshorisonten ansett som et svart hull.
Hvordan avgir svarte hull stråling?
Sorte hull avgir stråling på grunn av kvanteeffekter. Det er viktig å merke seg at dette er kvanteeffekter av materie, ikke kvanteeffekter av tyngdekraften. Den dynamiske romtiden til et kollapsende svart hull endrer selve definisjonen av en partikkel. Som tidens gang, som forvrenger nær et svart hull, er begrepet partikler for avhengig av observatøren. Spesielt når en observatør som faller i et svart hull mener at han faller i et vakuum, mener en observatør langt fra det svarte hullet at dette ikke er et vakuum, men et rom fullt av partikler. Det er strekking av romtid som forårsaker denne effekten.
Først oppdaget av Stephen Hawking, kalles strålingen som sendes ut av et svart hull Hawking-stråling. Denne strålingen har en temperatur omvendt proporsjonal med massen av det sorte hullet: jo mindre det sorte hullet, jo høyere temperatur. De fantastiske og supermassive sorte hullene som vi vet har temperaturer godt under temperaturen på mikrobølgeovnens bakgrunn og blir derfor ikke observert.
Hva er et informasjonsparadoks?
Informasjonstap paradokset er forårsaket av Hawking-stråling. Denne strålingen er rent termisk, det vil si at den bare har temperatur ved et uhell og av visse egenskaper. Strålingen i seg selv inneholder ingen informasjon om hvordan det sorte hullet dannet seg. Men når et svart hull avgir stråling, mister det masse og trekker seg sammen. Alt dette er helt uavhengig av stoffet som ble en del av det svarte hullet eller som det ble dannet av. Det viser seg at man kun vet den endelige tilstanden til fordampning, man kan ikke si fra hva det sorte hullet ble dannet. Denne prosessen er "irreversibel" - og fangsten er at det ikke er noen slik prosess i kvantemekanikken.
Det viser seg at fordampningen av et svart hull er uforenlig med kvanteteorien vi kjenner, og noe må gjøres med det. Fjern inkonsekvensen på en eller annen måte. De fleste fysikere mener løsningen er at Hawking-stråling på en eller annen måte må inneholde informasjon.
Hva foreslår Hawking for å løse informasjonsparadokset for sorte hull?
Tanken er at sorte hull må ha en måte å lagre informasjon som ennå ikke er akseptert. Informasjon lagres i horisonten til et svart hull og kan forårsake små forskyvninger av partikler i Hawking-stråling. I disse små forskyvningene kan det være informasjon om den fangede saken. De nøyaktige detaljene i denne prosessen er foreløpig uklare. Forskere avventer et mer detaljert teknisk papir fra Stephen Hawking, Malcolm Perry og Andrew Strominger. De sier at det vil vises i slutten av september.
For øyeblikket er vi sikre på at sorte hull eksisterer, vi vet hvor de er, hvordan de dannes og hva de til slutt vil bli. Men detaljene om hvor informasjonen går til dem representerer fremdeles et av universets største mysterier.
Ilya Khel
