Svarte hull: hva er de, og hvordan kan vi se noe som er usynlig?

Få objekter i universet har fanget fantasien som svarte hull. De er blitt gjenstand for vitenskapelige gjennombrudd, Nobelpriser og utallige filmer. Men hva er de egentlig, og hvordan kan noe som ikke sender ut lys, bli observert?

Hva er et svart hull?

Et svart hull er et område i rommet der tyngdekraften er så sterk at ingenting, ikke engang lys, kan slippe unna. Grensen kalles hendelseshorisonten. Utenfor den kan alt i prinsippet slippe unna hvis det beveger seg fort nok. Innenfor den finnes det ingen vei ut. Det som ligger inne i, kan ikke sende informasjon til oss.

Det er viktig å vite at et svart hull ikke er en støvsuger som suger til seg alt i nærheten. Utenfor hendelseshorisonten oppfører et svart hull seg som en hvilken som helst annen tung gjenstand. Hvis Sola av en eller annen grunn ble byttet ut med et svart hull med samme masse, ville Jorden fortsatt gått i bane rundt det, i nøyaktig samme bane, men det ville blitt veldig mørkt og kaldt.

Størrelsen på hendelseshorisonten avhenger av massen. For en masse som Solas ville radien vært omtrent tre kilometer. For Jorden ville den vært omtrent en centimeter.

Hvordan dannes de?

De vanligste svarte hullene dannes når en massiv stjerne dør. Stjerner holdes oppe av trykket fra kjernereaksjonene i sentrum. Når brenselet tar slutt hos en stjerne som er mange ganger tyngre enn Sola, kollapser kjernen under sin egen tyngde, mens de ytre lagene blåses av i en supernova. Hvis den gjenværende kjernen er tung nok, omtrent over tre ganger Solas masse, kan ingenting stoppe kollapsen, og et svart hull dannes. Disse kalles stjernemasse-hull, og har masser fra noen få til flere titalls ganger Solas.

I sentrum av de fleste store galakser ligger det dessuten supermassive svarte hull, med masser fra millioner til milliarder av ganger Solas. Hvordan de ble så store så tidlig i universets historie, er fortsatt gjenstand for forskning. I vår egen galakse ligger Sagittarius A*, med omtrent fire millioner solmasser, som vi omtaler i artikkelen om Melkeveien.

Hvordan kan vi se det usynlige?

Selv om svarte hull ikke lyser selv, avslører de seg på flere måter:

• Akkresjonsskiver. Gass som faller mot et svart hull, samler seg i en roterende skive og varmes opp til millioner av grader. Den sender ut kraftig røntgenstråling. Noen ganger skytes også deler av materialet ut i enorme stråler, kalt jetter, nesten med lysets hastighet. Illustrasjonen øverst viser nettopp en slik skive og en jet.
• Stjernebevegelser. Når stjerner går i bane rundt noe usynlig og tungt, må det være et svart hull. Slik ble Sagittarius A* oppdaget.
• Gravitasjonsbølger. Når to svarte hull smelter sammen, sendes krusninger i selve rommet utover. I september 2015 registrerte LIGO-detektorene i USA for første gang slike bølger, fra to svarte hull på omtrent 29 og 36 solmasser som slo seg sammen. For dette fikk Rainer Weiss, Barry Barish og Kip Thorne Nobelprisen i fysikk i 2017.
• Tyngdelinsing. Tyngdekraften fra et svart hull bøyer lys fra objekter bak det.

De første bildene

I april 2019 offentliggjorde Event Horizon Telescope-samarbeidet det første bildet av skyggen til et svart hull, i den store galaksen Messier 87, rundt 55 millioner lysår unna. Det supermassive hullet i M87 har en masse på rundt 6,5 milliarder solmasser. Bildet viste en lysende ring av varm gass med en mørk sentral skygge. I 2022 fulgte et tilsvarende bilde av Sagittarius A* i vår egen galakse. Teleskopene var spredt over hele Jorden og fungerte sammen som ett enormt teleskop.

Resultatene stemte overraskende godt med det Einsteins generelle relativitetsteori forutsier, og er en av de sterkeste testene av teorien i ekstreme omgivelser.

Det nærmeste svarte hullet

Det nærmeste kjente svarte hullet er Gaia BH1, oppdaget i 2022 av romteleskopet Gaia. Det ligger omtrent 1 560 lysår unna og går i bane rundt en solliknende stjerne. Det er altså ingen fare for at noe slikt kommer nær solsystemet. Astronomene regner med at det finnes mange flere i galaksen som vi ikke har funnet ennå.

Hva skjer hvis du faller inn?

Dette er et populært tankeeksperiment. På grunn av tyngdekraftens ulike styrke over kort avstand ville du bli strukket ut til en lang tråd om du falt med føttene først mot et stjernemasse-hull, en effekt som fysikere kaller spagettifisering. For et supermassivt svart hull ville tidevannskreftene være svakere ved hendelseshorisonten, og du ville kunne krysse den uten å merke noe særlig. Sett utenfra ville du imidlertid aldri se deg selv krysse. For en ekstern observatør ser det ut til at tiden går langsommere og langsommere, og du fryser fast ved randen. Dette er ikke noe vi kan teste, men det følger av relativitetsteorien.

Forsvinner informasjon?

Et av de dypeste spørsmålene i fysikken er hva som skjer med informasjonen som faller inn. Stephen Hawking viste i 1974 at svarte hull ikke er helt svarte, men sender ut en svak stråling, Hawking-stråling, og dermed sakte kan fordampe. Hvis de fordamper helt, hvor blir det av informasjonen om det som falt inn? Dette informasjonsparadokset er fortsatt uløst, og en nøkkel til å forene tyngdekraft og kvantefysikk. Strålingen er så svak at den aldri er målt for ekte svarte hull.

Hva kan vi bruke dem til?

Svarte hull er kosmiske laboratorier. De lar oss teste fysikkens lover under de mest ekstreme forhold, og de spiller en rolle i hvordan galakser utvikler seg. Energien fra jettene kan varme opp gass i hele galaksehoper og påvirke hvor mange nye stjerner som dannes. Slik henger det aller minste og det aller største sammen.

Å forstå svarte hull henger sammen med å forstå hvor store avstandene i universet er, og hvordan vi kan observere objekter langt unna. Les gjerne om dette i artikkelen om lysår og universets størrelse.