Sorte huller går til filmen

Det udtværede billede af lidt gult og orange lys med en rund mørk skygge i midten så ikke ud af meget, da det blev præsenteret for offentligheden den 10. april 2019. Men faktisk var det en sensation: Det første billede nogensinde af et sort hul.

Eller rettere – af alt det som er lige rundt om et sort hul. Som navnet siger er sorte huller i sig selv usynlige, fordi deres enorme tyngdekraft suger alt til sig og forhindrer selv lys i at undslippe.

Men billedet viste alligevel så skarpe konturer af det sorte hul, at astronomerne bag bedriften kunne sige, at de for første gang havde ”set, hvad vi troede var umuligt at se”.

Sorte huller er på trods af deres lyssky natur et af de mest studerede astronomiske fænomener. Både fordi de er mystiske, og fordi de ifølge astrofysikerne har afgørende betydning for universets udvikling og dannelsen af galakser, stjerner og planeter – og altså i sidste ende også os selv her på Jorden.

Derfor opfanger astronomer alt det, der sker tæt på de sorte huller, når deres enorme tyngdepåvirkning hvirvler tid og rum rundt i det omgivende univers.

Og derfor brugte hundredvis af forskere årevis på at observere det ydre rum ved hjælp af et verdensomspændende netværk af teleskoper, så de kunne sammenstykke en udtværet gul og orange cirkel rundt om en mørk skygge.

Men astronomerne er kun lige gået i gang. Nu vender de teleskoperne mod det sorte hul, der gemmer sig i hjertet af Mælkevejen – ikke for at tage et snapshot, men for at optage en film, der kan vise, om fysikkens love holder, når de presses ud i ekstremerne.

Omgivelser afslører huller

Et sort hul er kort fortalt en ekstremt stor masse presset sammen på et lille område. Tyngdekraften bliver stærkere og stærkere mod midten, og i centrum er så meget masse samlet i et forsvindende lille område, at kraften bliver uendelig stor – så stor, at den bøjer både rum og tid omkring sig.

Sådan et punkt kaldes en singularitet. Singulariteter blev introduceret af Albert Einstein, da han i 1915 fremlagde sin generelle relativitetsteori, som er vores bedste beskrivelse af tyngdekraftens natur.

Einstein tvivlede faktisk på, at singulariteter eksisterer, men de er i dag astrofysikernes eneste forklaring på de fænomener, vi kan observere omkring sorte huller.

Massetætheden i hullerne er så ekstrem, at forskerne betragter dem som naturens eget laboratorium, hvor vi kan afprøve, om vores forståelse af tyngdekraften rent faktisk holder stik, når den presses til det yderste.

Rundt om et sort hul hvirvler støv og gas i den såkaldte tilvækstskive. Det inderste af skiven bliver gradvist suget ind i hullet af tyngdekraften.

Når stoffet kommer tæt nok på, passerer det den såkaldte begivenhedshorisont, som måske er fysikkens mest fascinerende skillelinje: Hvis et objekt, eller lys, passerer den, kan det aldrig komme ud igen. Begivenhedshorisonten er dermed også grænsen for vores indsigt i et sort hul.

VIDEO: Eksperter svarer på spørgsmål – “Hvorfor er billedet så sløret?”

Astronomer studerer derfor sorte huller ved at observere, hvad der sker lige rundt om. Sorte hullers tyngdekraft får for eksempel stjerner til at kredse om dem, og hullernes masser kan udregnes ud fra stjernernes masser og baner.

Tættere på de sorte huller udsendes der kraftig stråling, som vi kan måle fra Jorden. Strålingen kommer fra ekstremt varme gasser.

Tæt på begivenhedshorisonten er tyngdefeltet så stærkt, at strålingens enkelte bestanddele, fotoner, fastlåses i baner omkring hullet.

Banerne er ustabile, og derfor vil fotonerne enten falde ind i det sorte hul eller blive slynget væk. Nogle af dem kastes i retning mod os og kommer til Jorden efter millioner af år, hvis de da ikke undervejs er stødt ind i forhindringer, er blevet afbøjet af andre tunge objekter, eller på den allersidste del af rejsen er blevet opslugt af vanddamp i Jordens atmosfære.

Stråling fra sorte huller når ikke frem til Jorden i form af synligt lys, men radiobølger. Astronomer opfanger bølgerne ved hjælp af et verdensomspændende netværk af radioteleskoper kaldet Event Horizon Telescope (EHT), som kan måle stråling med en bølgelængde på 1,3 mm.

EHT’s radioteleskoper målte stråling fra det sorte hul M87* i april 2017, og i løbet af syv dage indsamlede EHT 5 petabytes data om hullet. Det svarer til den samlede produktion af selfies fra 40.000 mennesker gennem hele deres liv.

Så stor en mængde data er hurtigere at transportere fysisk end at overføre via internettet, så harddiske blev fløjet til to datacentre, hvor observationerne blev sat sammen.

Forskerne “oversatte” radiobølger til synlige farver – gul repræsenterer den stærkeste stråling, rød lidt svagere, og sorte pixels er der, hvor ingen stråling er målt.

Det var takket være denne fremgangsmåde, at EHT-forskerne ca. to år senere kunne præsentere det billede, som blev så berømt.

Billedet var især banebrydende, fordi det for første gang viser os selve begivenhedshorisonten. Vi kan se den som den runde, mørke skive, der er omkranset af gult og orange lys. EHT’s astronomer har beregnet, at M87*’s begivenhedshorisont har en diameter på ca. 39,2 milliarder km.

Mælkevejens sorte hul er et barn

M87* vejer omkring 6,5 milliarder gange Solens masse og er et såkaldt supertungt sort hul. I midten af Mælkevejen findes der også et supertungt sort hul.

Det kaldes Sagittarius A, og hele galaksen roterer om det. Forskellen på M87 og Sagittarius A* er, at Mælkevejens sorte hul er omkring 1600 gange lettere.

Samtidig er det 2000 gange tættere på os. Forskellene i masse og afstand “ophæver” til dels hinanden – set fra Jorden er der ikke stor forskel på de to hullers størrelser.

Men forskellen har en anden og meget afgørende betydning: hastighed. M87* er et taknemmeligt motiv at afbilde, da astronomerne kan tage billeder af det med lang “lukkertid”.

Det kan de, fordi strålingen fra hullet forbliver næsten uændret over mange timer, da gasser hvirvler meget langsomt om hullet. Gasserne bevæger sig langsomt, fordi de er langt væk fra dét punkt, hvoromkring det sorte huls masse er samlet – massemidtpunktet.

Omvendt forholder det sig med Sagittarius A*. Gasserne bevæger sig hurtigere rundt om hullet, da de er tættere på massemidtpunktet.

Forskerne sammenligner M87 med en voksen, som sidder stille for at få taget sit portræt, mens Sagittarius A er som et treårigt barn, der suser rundt i billedrammen. Og løsningen er at optage en film i stedet for at tage et billede.

Forskerne vil indstille EHT-netværkets teleskoper til at optage radiostråling med en kortere bølgelænge, nemlig 0,87 mm i stedet for tidligere 1,3 mm.

Det kan ifølge forskerne forbedre skarpheden af billederne med 30-50 procent. Derudover vil de koble optagelser sammen fra flere teleskoper end tidligere.

Tre teleskoper, som ligger i henholdsvis Grønland, Frankrig og Arizona i USA, er nu føjet til EHT’s i forvejen otte teleskoper, så optagelser fra i alt 11 teleskoper skal stykkes sammen.

Endelig vil forskerne benytte sig af et computerprogram ved navn StarWarps til at sætte billederne sammen til en sammenhængende film. StarWarps kan analysere en række billeder og udregne, hvordan de mellemliggende billeder sandsynligvis ser ud.

Dermed kan programmet supplere med computerskabte billeder, så det, der ellers kunne ligne et diasshow, bliver til levende billeder.

Sorte huller kan besvare alt

En film af det sorte hul i Mælkevejens midte kan hjælpe os med at opklare flere spørgsmål; for eksempel vil forskerne gerne vide mere om, hvordan sorte hullers magnetfelter “skubber” til stof i tilvækstskiven.

Teorien lyder, at tyngdekraften fra et sort hul koblet med dets rotation vrider et magnetfelt, der påvirker ladede partikler rundt om hullet.

Nogle af partiklerne falder ind i hullet, mens andre slynges langt væk, men forskerne ved ikke, hvor meget stof der ryger den ene eller den anden vej.

Video af stoffet omkring Sagittarius A* kan måske give forskerne svar. Partiklerne kan også ende i såkaldte jets, der findes hos mange sorte huller og består af ladede partikler, som skydes ud fra den inderste kant af tilvækstskiven.

Det næste spørgsmål, filmoptagelserne af Sagittarius A* kan give svar på, er hvordan de supertunge sorte huller oprindeligt er opstået. Supertunge sorte huller findes i hjertet af de fleste galakser og er dannet samtidig med galakserne.

Men nogle supertunge sorte huller, på op til 30 milliarder solmasser, er ifølge teorien for langt væk – for eksempel hullet J2157. Lyset, som vi modtager fra J2157, blev udsendt, da universet kun var 1,2 milliarder år gammelt.

Ifølge teorierne burde sorte huller på over 20 milliarder solmasser ikke findes så tidligt i universets historie. En video af Sagittarius A* vil give forskerne et fingerpeg om, hvordan Mælkevejens mørke midte er dannet, og dermed også, hvordan “forbudte” sorte huller bliver født.

Astronomerne ved EHT vil også filme andre sorte huller. Drømmen er et helt filmkatalog, som giver forskerne mulighed for at sammenligne supertunge sorte huller med forskellige aldre, så de kan se, hvordan de udvikler sig.

I dag er EHT spredt over hele kloden for at indsamle stråling med den størst mulige “parabolskærm”, men EHT-astronomerne ønsker sig et netværk af satellitteleskoper.

Det ville give EHT en endnu større diameter, og samtidig kan satellitter opfange stråling, der ellers absorberes i Jordens atmosfære.

Forskere ved Radboud University i Holland har beregnet, at de to forbedringer vil give en billedopløsning op til fem gange større end med det nuværende EHT.

Et videokatalog i høj opløsning er kun begyndelsen på, hvad vi kan opnå med et EHT, der bliver udvidet til rummet. Forskernes endemål er at forandre selve videnskaben – ved at påvise, at fysikkens to mest grundlæggende teorier kan forenes.

Einsteins relativitetsteori forklarer universet på den store skala og er stadig den bedste forklaring på, hvordan sorte huller opfører sig. Men den har altid været umulig at kombinere med kvantemekanikken, der forklarer de allermindste partikler.

Astrofysikere har allerede fundet navnet på teorien, der måske kan forene de to: Kvantegravitation. Og beviserne for denne teori – hvilket vil være den største revolution i fysikken i over 100 år – kan gemme sig omkring de sorte huller.

Som en af forskerne bag EHT, den canadiske fysiker Avery Broderick, udtrykker det: “Det mest spændende, vi kan gøre, vil være at fortrænge Einstein ved at vise, at der i dette ekstreme tyngdemæssige laboratorium gemmer sig noget nyt. Det vrimler med mysterier omkring sorte huller, og vi ved, at der må findes noget mere.”