Sort hul

Overvægtige sorte huller sprænger vægtskalaen

Et hold forskere har regnet ud, at universet formentlig gemmer på en ny type sorte huller, som har mindst 100 milliarder gange mere masse end Solen. Hvis giganterne findes, kan de potentielt løse gåden om det mystiske mørke stof.

Et hold forskere har regnet ud, at universet formentlig gemmer på en ny type sorte huller, som har mindst 100 milliarder gange mere masse end Solen. Hvis giganterne findes, kan de potentielt løse gåden om det mystiske mørke stof.

Shutterstock

Langt væk fra Jorden, i stjernebilledet Jagthundene, bor et kosmisk uhyre, der æder alt, hvad det kommer i nærheden af.

Monsteret er et ultratungt sort hul, som vejer omkring 66 milliarder gange mere end Solen og er lige så stort som hele vores solsystem.

Det sorte hul i midten af kvasaren TON 618 er det hidtil største i astronomernes rekordbog – men ifølge ny forskning er det en miniput sammenlignet med en flok hidtil ikke observerede sorte huller kaldet SLAB’s (stupendously large black holes), som måske findes derude i mørket.

“Vi definerer SLAB’s som sorte huller, der vejer mere end 100 milliarder gange Solens masse. De er ikke blevet observeret i centrum af galakser – måske fordi de ville have opslugt galaksen omkring sig – men de kan måske eksistere i det intergalaktiske rum,” siger Bernard Carr, professor emeritus i matematik og astronomi ved Queen Mary University i London, til Illustreret Videnskab.

Hvis sorte huller af SLAB-typen findes, kan de måske hjælpe os med at blive klogere på det tidlige univers.

Sammen med kollegerne Florian Kühnel og Luca Visinelli står han bag matematiske beregninger, der viser, at universet kan gemme på sorte huller, der vejer flere tusind milliarder gange Solens masse eller det samme som samtlige stjerner i Mælkevejen.

Findes sorte huller af SLAB-typen, kan de potentielt hjælpe os med at blive klogere på det tidlige univers og det mystiske mørke stof, som er overalt i universet, men som astronomerne endnu ikke kender forklaringen på.

Findes i alle størrelser

De gådefulde sorte huller har længe fascineret astronomerne.

I 1783 fremsatte den britiske geolog John Michell en teori om objekter med en tyngdekraft så voldsom, at selv ikke lys kunne undslippe dem.

Han kaldte dem “mørke stjerner”. Michell indså, at nogle stjerner kunne have så kraftig en tyngdepåvirkning, at stjernens undvigelseshastighed – den hastighed, det kræver, for at et rumskib eller en lyspartikel kan slippe væk fra den – ville være større end lysets hastighed.

Fusion af sort hul og stjerne
© ESO/L. Calçada/M.Kornmesser

Ædegilde og fusioner giver sorte huller vokseværk

Sorte huller kan vokse ved at tiltrække gasser, men vokseværket kan også ske, hvis den ene af to stjerner i et dobbelt stjernesystem bliver til et sort hul og derefter begynder at æde den anden. To sorte huller kan tiltrække hinanden og til sidst støde sammen i en gigantisk kollision, der får dem til at fusionere og blive til ét gigantisk sort hul.

132 år senere, i år 1915, fasttømrede Albert Einstein det teoretiske fundament for sorte huller med sin generelle relativitetsteori, og lidt over et århundrede senere – i 2019 – kunne et internationalt forskerhold bag Event Horizon Telescope (EHT) vise et billede af en lysende krans af glohede gasser, der hvirvler rundt om det roterende sorte hul i galaksen Messier 87.

De sorte huller findes i et mangfoldigt udvalg lige fra bittesmå huller, som vejer tre solmasser eller potentielt endnu mindre, til det ubegribelig store, tungere end nogen anden kosmisk genstand nogensinde målt.

De supertunge sorte huller findes i centrum af mange galakser, herunder det sorte hul Sagittarius A* i vores egen Mælkevej, som vejer omkring fire millioner gange så meget som Solen. Det supertunge sorte hul i centrum af Messier 87 er endnu voldsommere og vejer omkring 6,5 milliarder gange så meget som Solen.

Til sammenligning med de to kan et SLAB veje fra 100 milliarder og op til en trillion – en milliard milliarder – gange så meget som Solen.

“Det mest opsigtsvækkende ved sorte huller er, at de kan findes i et enormt stort spænd af masser – hele vejen fra Planck-massen (omkring en hundredtusindedel af et gram, red.) til kollapsede stjerner på 10-100 solmasser, til supertunge sorte huller på en million til en milliard solmasser og til, måske, SLAB’s,” forklarer Bernard Carr.

Kan stamme fra tidernes morgen

Fælles for de sorte huller er, at de kan vokse sig større over tid, når først de er dannet.

Det mest opsigtsvækkende ved sorte huller er, at de kan findes i et enormt stort spænd af masser. Bernard Carr, professor emeritus i matematik og astronomi ved Queen Mary University i London

De suger gasser og støv til sig, som var omgivelserne et tag selv-bord, og tager derfor på i vægt. Dermed bliver tætheden af stof i et sort hul uendelig stor.

Som Bernard Carr påpeger, er SLAB’s så store, at det ikke er sandsynligt at finde dem i midten af galakser, fordi de formentlig med tiden ville have opslugt alt stof i galaksen. Den enorme masse betyder, at de må være meget gamle for at kunne have udviklet sig til at blive så store.

Derfor mener forskerne, at SLAB’s kan være dannet i det helt tidlige univers – endnu før galakserne begyndte at tage form efter big bang. På dette tidlige tidspunkt var universet domineret af stråling.

Bernard Carr

Professor Bernard Carr fra Queen Mary University i London mener, at nogle ekstremt store sorte huller kan være dannet i tætpakket stof i det tidlige univers.

© Bernard Carr

“De kan være af primordial oprindelse, dvs. at de er dannet i det tidlige univers præget af stråling. De kan være spiret fra primordiale sorte huller, siden de nødvendigvis må være vokset enormt meget efter deres dannelse,” siger Bernard Carr.

Udsender måske gammastråler

De primordiale sorte huller stammer fra universets barndom, hvor sorte huller ikke har kunnet dannes fra en stjernes kollaps.

Dengang fandtes der nemlig hverken galakser eller stjerner, men til gengæld lå stoffet tætpakket, og lokale bevægelser kan have givet stoffet det skub, der skulle til for at sætte gang i dannelsen af et sort hul.

Spørgsmålet er derudover, om de sorte huller er en del af forklaringen på det mørke stof i universet.

Mørkt stof er astronomernes betegnelse for omkring 85 pct. af stoffet i universet, der endnu ikke er observeret, men som kan forklare fænomener ved tyngdekraft, der ellers ikke giver mening alene ud fra det synlige stof i form af galakser og stjerner.

Det gælder fx bevægelser af stjerner inde i galakser og galaksers egne bevægelser, som astronomerne ikke kan forklare uden mørkt stof.

Sort hul, lys
© Shutterstock

Bøjet lys og tyngdebølger skal afsløre SLAB’s

Krusninger i rum-tiden og en kosmisk linseeffekt, der bøjer lys omkring stjerner, kan sladre om tilstedeværelsen af SLAB’s i universet.

Universet, lys
© Hubble/ESA/NASA

Tunge genstande afbøjer lys

Tunge objekter i universet, fx stjerner, planeter og galakser, kan skabe en optisk effekt, hvor de fungerer som en linse, der afbøjer lys fra andre objekter direkte bag galaksen.

Sort hul, vaegtskala
© Mark Garlick/Getty Images

Tyngdebølger krøller rum-tiden

Tyngdebølger er krusninger i rum-tiden, som udsendes, når fx to sorte huller roterer om hinanden eller støder sammen. Ud fra bl.a. størrelsen på tyngdebølgens udsving kan astronomerne skønne massen af de sorte huller.

Universet
© M. Postman (STScI), the CLASH Team, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/ESA/NASA

Partikler udsender stråling

Elementarpartikler som wimps (weakly interacting massive particles) er måske en del af mørkt stof. Hvis wimps eksisterer, udsender de gammastråling ved mødet med en såkaldt antipartikel ved det sorte huls begivenhedshorisont.

Netop det mørke stof kan indirekte vise sig at spille en rolle i opdagelsen af den første SLAB, hvis de enorme sorte huller altså findes derude.

En SLAB vil kunne opdages med den gravitationelle linseeffekt.

Som navnet siger, kan en stjerne, galakse eller andre tunge objekter i universet virke som en optisk linse, der afbøjer lys.

Afbøjningen skyldes, at rum-tiden omkring eksempelvis en stjerne eller et sort hul bliver gjort krum pga. tyngdekraften. Lyset fra en stjerne eller galakse bag objektet bliver derfor bøjet i en kurve rundt om objektet i stedet for at rejse i en lige linje.

Princippet bliver allerede udnyttet af teleskoper i dag til at se “rundt om” nogle galakser og stjerner.

I princippet vil et SLAB også kunne opdages via tyngdebølger, dvs. små krusninger, små bølger, i rum-tiden, der opstår, når eksempelvis to sorte huller er ved at spise hinanden. I dag kan tyngdebølger opfanges af instrumentet LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) i USA.

Men en mere utraditionel måde at afsløre de gigantiske sorte huller på er gennem de såkaldte wimps (weakly interacting massive particles), som er elementarpartikler, der måske dannes i forbindelse med mørkt stof.

“De ville danne en gravitationel halo (glorie, red.) omkring hver SLAB, og udslettelsen af dem ville udsende et gammastråle-signal,” siger Bernard Carr.

Gemmer nøglen til en teori om alt

Sådan et signal ville kunne opfanges med teleskop fra Jorden og dermed afsløre både eksistensen af et SLAB og af en elementarpartikel med tætte forbindelser til et af universets store mysterier, mørkt stof.

Dermed fortsætter de sorte huller med at være hovedpersoner i astronomernes jagt efter svar på nogle af de største gåder inden for fysikken og kosmologien. Pga. deres ekstreme væsen er sorte huller også scenen for en cirka 100 år lang kamp for at forene kvantemekanikken med relativitetsteorien.

Det er de to teorier, der både beskriver, hvordan alt det mindste i universet opfører sig – fx fotoner og elektroner – og alt det største som planeter, stjerner og galakser.

I et sort hul bliver begge teorier sat alvorligt på prøve, og derfor håber forskerne, at svaret kan gemme sig her.

“Det er sandsynligt, at studiet af sorte huller rummer nøglen til at forene den generelle relativitetsteori med kvantemekanikken, hvilket er den hellige gral inden for fysikken,” siger Bernard Carr.