Sorte huller punkterer vores univers

Ingen har nogensinde set et. Einstein troede ikke på, at de fandtes. Og Stephen Hawking viede en stor del af sit liv til dem. Gennem et århundrede har sorte huller splittet, fascineret og mystificeret astrofysikerne. I dag er de enige om, at de er strøet ud overalt i universet, men de er stadig fulde af hemmeligheder.

Shutterstock

“Absurd!” Sådan lød reaktionen fra den engelske astronom og astrofysiker Arthur Eddington, da han i 1935 fandt frem til nogle overraskende resultater om tyngdekraften i kollapsende stjerner.

Eddington havde i nogen tid arbejdet med matematiske beregninger over, hvad der mon ville ske med stjerner af forskellig størrelse, når de løb tør for brændstof.

Til arbejdet udnyttede han nogle ligninger fra den generelle relativitetsteori, som Albert Einstein havde udviklet 20 år tidligere, og Eddington nåede frem til, at en stjernes kollaps i nogle tilfælde kunne skabe det, vi i dag kender som et sort hul.

Eddington burde have råbt “Heureka!” i stedet for “Absurd!”, for hans beregninger var fuldstændig korrekte. Og selvom han ikke selv kunne acceptere resultatet, tog mange andre fysikere det til sig.

Jeg er nået frem til en klar forståelse af, hvorfor singulariteter ikke eksisterer i virkeligheden.
Albert Einstein i en videnskabelig artikel i 1939

De følgende årtier viste det sig, at hverken relativitetsteorien eller tanken om sorte huller i universet blot var matematisk spekulation, men fysisk virkelighed.

I dag ved vi, at sorte huller spiller en helt afgørende rolle for de fænomener, vi kan observere omkring os, hvad enten det er i vores egen galakse, Mælkevejen, eller galakser, der ligger milliarder af lysår ude i universet. Og det er stadig relativitetsteorien, som er vores bedste nøgle til at forstå dem.

Et sort hul er et objekt, hvor der er så meget masse samlet på et så lille område, at tyngdekraften bliver ubegribeligt stærk – så stærk, at intet, ikke engang lys, kan slippe væk. Det er derfor, vi kalder det et sort hul.

Den første fysiker, som brugte udtrykket, var amerikaneren John Wheeler, og det skete først i 1967. Men tanken om, at tyngdekraften kan tilbageholde lyset, er meget ældre.

Vi skal helt tilbage til 1780’erne, 150 år før Eddingtons skeptiske udbrud, for at finde de første videnskabsmænd, som arbejdede med ideen. En af dem var John Michell.

Han var, som mange andre af datidens naturforskere, teologisk uddannet, og i sit sogn i Thornhill i England passede han både sin præstegerning og sine videnskabelige studier.

Tyngdekraften vinder over lyset

John Michell skød i blinde og ramte plet

I 1780’erne udviklede englænderen John Michell sin teori om “mørke stjerner”, der var så tunge, at lyset ikke kunne slippe væk. Michell manglede viden, så teorien var forkert, men hans tanker ligner meget beskrivelsen af et sort hul.

Einstein troede ikke sine egne ligninger

Med sin relativitetsteori fra 1915 opfandt Einstein rumtiden, som beskriver universet i fire dimensioner. Tunge objekter krummer rumtiden og skaber en tyngdebrønd omkring sig. I princippet kan den være uendeligt dyb og resultere i en såkaldt singularitet, kernen i et sort hul. Einstein mente dog ikke, at det kunne ske i virkeligheden.

Præst fostrede ideen om sorte huller

John Michell red med på den bølge af matematisk tænkning, som Isaac Newton havde sat i gang 100 år tidligere med sin tyngdelov, der forklarede, at de kræfter, som holdt planeterne i kredsløb om Solen, var de samme kræfter, der fik hans berømte æble til at falde til jorden.

På Michells tid var det almindeligt at betragte lys som partikler, der har masse ligesom andre partikler, og det fik ham til at fundere over, hvad der egentlig skete med lyset, når det blev udsendt fra en stjerne.

Hvis nu stjernen var stor nok, ville tyngdekraften jo trække i lyspartiklerne og bremse dem ned. Og hvis stjernen var endnu større, ville de jo slet ikke kunne slippe væk. Sådan et objekt kaldte Michell en “mørk stjerne”, og han mente, at der måtte findes masser af gigantiske stjerner, vi bare ikke kunne se, fordi lyset ikke kunne forlade dem.

Ideen var god nok, og på flere måder ligner Michells tanker nutidens forestillinger om sorte huller, selvom hans forudsætninger ikke var rigtige. Især på tre områder manglede han viden.

For det første antog han, at lys har en masse, som tyngdekraften kan virke på – i dag ved vi, at lys ikke har masse.

For det andet vidste Michell ikke, at stjerner på den størrelse, han forestillede sig, er for ustabile til at eksistere – i dag ved vi, at de ville kollapse og faktisk resultere i et sort hul.

Og for det tredje manglede Michell en dybere forståelse af, hvordan tyngdekraften virker – i dag har vi takket være Einsteins generelle relativitetsteori en fundamentalt anderledes opfattelse af, hvordan masse, rum, tid og lys hænger sammen.

Forskerne har kortlagt anatomien i sorte huller

1 / 4

undefined

1234

Astrofysikerne mener i dag, at alle sorte huller er opbygget ens. De kan have forskellig masse, og deres spin kan variere, men ellers består de fra inderst til yderst af en singularitet (1), en begivenhedshorisont (2), en ergosfære (3) og en tilvækstskive (4).

Einstein satte universet på en ny formel

Einsteins teori indeholder nogle såkaldte feltligninger, som beskriver rummet på en helt anden måde end den, vi normalt oplever det på. I vores dagligdag sanser vi verden omkring os i tre fysiske dimensioner, men i Einsteins univers er tiden indbygget som en fjerde dimension, så vi i stedet får en firedimensional størrelse, som kaldes rumtiden.

Det er meget vanskeligt at forestille sig et firedimensionalt rum, og derfor illustreres rumtiden som regel ved at koge de fire dimensioner ned til to, så vi visuelt får en todimensional plade eller dug.

Ethvert objekt, som har masse, påvirker rumtiden, så den deformeres. Vi kan illustrere det ved, at objektet tynger dugen ned og skaber en fordybning. Helt kort fortalt er der denne nære sammenhæng mellem masse og rumtid:

  • Massen påvirker rumtiden og fortæller den, hvordan den skal krumme.
  • Rumtiden påvirker massen og fortæller den, hvordan den skal bevæge sig.

Hvis vi tager vores egen jordklode som eksempel, kan vi se for os, at dens masse skaber en skålformet fordybning i rumtiden, og det er denne fordybning, som illustrerer tyngdefeltet.

Når Månen kredser om Jorden, er det altså, fordi den “triller” rundt i kanten af fordybningen. Jo tungere et objekt er, jo dybere er skålen eller fordybningen omkring objektet.

I Einsteins feltligninger kan fysikerne sætte forskellige størrelser ind og se, hvilken effekt det har på rumtiden. Hvis de for eksempel lader et meget lille objekt have en meget stor masse, bliver krumningen af rumtiden så voldsom, at objektet skaber en dyb brønd omkring sig – en såkaldt tyngdebrønd.

Hvis det meget tunge objekt er endnu mindre, så det praktisk taget ikke har nogen rumlig udstrækning, sker der noget endnu vildere. Her bliver tyngdebrønden så dyb, at Newtons klassiske tyngdelov ikke gælder mere.

Centeret af en tyngdebrønd, som er uendeligt dyb, kaldes en singularitet, og det er præcis den situation, som optræder i et sort hul.

Sandt om sorte huller

En partikel, som kommer for tæt på et sort hul, bliver suget ind bag den såkaldte begivenhedshorisont. Når det sker, mister vi enhver kontakt med den. Vi kan ikke længere se den eller på andre måder få noget at vide om, hvad der sker den.

Einstein tvivlede på sin egen teori

At det overhovedet kan ske, blev første gang indset af den tyske fysiker Karl Schwarzschild. Allerede i 1915 – samme år, som Einstein udgav sin generelle relativitetsteori – kastede Schwarzschild sig over feltligningerne og fandt løsninger, som førte frem til singulariteter.

I årtier blev Schwarzschilds resultater dog betragtet som et matematisk kuriosum, som ikke havde noget med virkeligheden at gøre. Selv Einstein troede ikke på, at de kunne eksistere. Så sent som i 1939 udgav han en videnskabelig artikel, hvor han gennem sindrige matematiske argumenter nåede frem til sin konklusion:

“Resultatet af denne undersøgelse er en klar forståelse af, hvorfor Schwarzschild-singulariteter ikke eksisterer i den fysiske virkelighed.”

Einstein var altså skeptisk over for følgerne af sin egen teori. Og forståeligt nok, for med singulariteten følger en lang række næsten uoverskuelige konsekvenser.

Ting kan godt komme ud af et sort hul – både til dets overflade og muligvis til et helt andet univers.
Stephen Hawking i en forelæsning i 2015

I en singularitet er tyngdekraften så stærk, at intet kan undslippe den, ikke engang lyset. Selvom lys ikke har nogen masse, påvirkes det nemlig alligevel af tyngdefeltet. Lyset følger krumningerne i rumtiden, og derfor kan det blive fanget i tyngdebrønden ligesom det stof, der kommer for tæt på.

På samme måde som en raket skal bruge en vis hastighed for at slippe ud af Jordens tyngdefelt (11.000 meter pr. sekund), skal lys og stofpartikler have fart på for at trække sig væk fra tyngdebrønden omkring et sort hul. Fysikerne taler om den såkaldte undvigelseshastighed.

Der er dog en øvre grænse for, hvor meget fart noget kan have på i vores univers. Intet kan bevæge sig hurtigere end lysets hastighed på 299.792.458 meter pr. sekund. Hvis noget er så tæt på singulariteten, at undvigelseshastigheden overstiger denne kosmiske fartgrænse, vil det aldrig kunne undslippe.

Rundt om et sort hul findes der derfor en nøje afgrænset sfære, hvorfra selv lyset ikke kan slippe ud.

Sfærens grænse kaldes begivenhedshorisonten, og alt det, som måtte foregå inden for denne grænse, vil vi aldrig kunne se. Til gengæld er der rigeligt at tænke over lige uden for horisonten.

Massetætheden får tiden til at gå i stå

Hvis vi forestiller os, at vi sender en rumraket ind mod et sort hul, vil der ske noget bizart. Vi vil se raketten nærme sig det sorte hul hurtigere og hurtigere, lige indtil den når begivenhedshorisonten.

Fra dette tidspunkt mister vi enhver kontakt med den, og vi kan ikke se, hvad der videre sker med den. Årsagen er, at lyspartiklerne ikke kan slippe ud gennem begivenhedshorisonten, og derfor er al information om rumskibets skæbne utilgængelig for os.

Men det er ikke kun lyset, som opfører sig mærkeligt. Tiden gør det også.

Hvis nu raketten havde et ur med sig, ville det gå langsommere og langsommere, efterhånden som raketten nærmede sig det sorte hul. Det gælder, uanset om der er tale om et mekanisk ur, et digitalur eller et atomur.

Fysikerne kalder fænomenet tidsforlængelse, og det opstår, fordi massen i det sorte hul ikke bare forvrænger rummet, men rumtiden, og det betyder, at selve tiden bogstaveligt talt bliver trukket ud. Helt inde i det sorte hul går tiden fuldstændigt i stå, og derfor kan et sort hul opfattes som et hul i rumtiden.

Når vores raket fortsætter ind bag begivenhedshorisonten og bliver opslugt af singulariteten, vil rakettens masse blive føjet til massen i det sorte hul, som bliver lidt tungere.

Den større masse betyder, at begivenhedshorisonten også bliver lidt større, og det er præcis den måde, et sort hul vokser på. Jo mere det sluger, jo tungere bliver det, og jo større bliver det område i rummet, vi ikke kan få noget at vide om.

De små er skabt af døde stjerner

Sorte huller med en masse fra fem til hundrede solmasser er skabt af stjerner, som er brændt ud og kollapset. De findes strøet ud i galakserne, også i vores egen Mælkevej.

De store fødes i nye galakser

Et sort hul, som vejer millioner eller måske milliarder gange så meget som Solen, kaldes et supertungt sort hul. Det er skabt sammen med den galakse, det er centrum i.

Alle disse konsekvenser følger direkte af Einsteins generelle relativitetsteori. De konkrete eksempler ville dog nok udspille sig lidt anderledes i virkelighedens verden. Her er der nemlig også andre forhold, som gør sig gældende tæt på begivenhedshorisonten.

Det vigtigste er det sorte huls rotation. Hvis et sort hul spinner, har det stor betydning for, hvad der sker med området lige uden for begivenhedshorisonten.

I 1963 lykkedes det den newzealandske matematiker Roy Kerr at finde en eksakt løsning af Einsteins feltligninger for et spinnende sort hul, og vi har derfor et godt billede af et roterende sort huls anatomi.

Astrofysikerne mener i dag, at alle sorte huller har spin, og det hænger sammen med den måde, de er dannet på. Sorte huller kan kun opstå, ved at en stor mængde stof kollapser under sin egen tyngdekraft. Det kan for eksempel ske, når en stor stjerne har brugt alt sit brændstof.

Så længe stjernen holder sine fusionsprocesser i gang, skaber den i sit indre en udadgående strålingskraft, som modvirker tyngdekræfterne. Men så snart stjernen slukkes, får tyngdekræfterne frit spil og presser stoffet i stjernen sammen.

Jo større masse stjernen har, jo stærkere er tyngdekraften, og jo mere kompakt bliver stoffet. Når vores egen sol brænder ud om cirka fem milliarder år, vil tyngdekræfterne slå atomerne i stykker, så elektronerne forlader deres atomkerner.

Stoffet vil dermed blive så kompakt, at Solen ender som en såkaldt hvid dværg. Den er nemlig ikke tung nok til at ende som et sort hul.

En stjerne, som vejer flere gange vores sols vægt, bliver mere kompakt, når den brænder ud. Her er tyngdekræfterne så stærke, at elektronerne og atomkernerne smelter sammen og bliver til neutroner. Resultatet er en neutronstjerne.

Endnu større stjerner på mere end fem gange Solens vægt kan kollapse til endnu mere kompakte objekter. Her kan selv neutronerne ikke modstå presset, og resultatet bliver et sort hul – præcis sådan, som Eddington til sin egen store overraskelse regnede sig frem til i 1935.

Rumtiden spinner som en skøjteløber

Den kollapsende stjerne har en rotationsbevægelse indbygget, som stammer helt tilbage fra dengang, stjernen blev dannet af roterende gasskyer. Og selvom stoffet presses sammen, bevares rotationen og bliver faktisk endnu hurtigere.

Det skyldes de samme fysiske love, som er i spil hos en kunstskøjteløber, der laver en piruet. Mens skøjteløberen holder armene ud til siderne, er rotationen langsom, men så snart hun trækker armene ind til kroppen, bliver spinnet hurtigere. Sådan er det også med sorte huller.

Tæt på begivenhedshorisonten er spinnet så voldsomt, at alle partikler, selv lyspartikler, bliver tvunget med rundt i rotationen. Her kan intet stå stille, for det er faktisk selve rumtiden, som spinner rundt om det sorte hul.

Vi kan forestille os, at rumtidens “dug” inde i tyngdebrønden bliver vredet med rundt om singulariteten. Denne region kaldes ergosfæren, og den er helt afgørende for de fænomener, vi kan se udfolde sig omkring sorte huller.

Hvis vi sender noget ind mod et spinnende sort hul, for eksempel en astronaut, vil vi opleve et scenarie, der er en hel del mere dramatisk end skøjteløberens piruet.

Tyngdepåvirkningen bliver ekstremt meget stærkere for hver meter, astronauten nærmer sig. Hvis han har benene forrest, bliver trækket i dem meget voldsommere end trækket i hans hoved. Først bliver fødderne, så benene og siden resten af kroppen trukket ud til noget, der ligner spaghetti.

Samtidig bliver rotationen i ergosfæren hurtigere og hurtigere, mens han nærmer sig begivenhedshorisonten, så kroppen bliver trukket rundt i en spiral og vikler sig om det sorte hul som spaghetti om en gaffel. Til sidst suger det sorte hul spaghettien i sig, men på det tidspunkt er vores astronaut heldigvis for længst holdt op med at mærke noget.

Og heldigvis er det bare et tænkt eksempel. I den virkelighed, vi kan se omkring sorte huller, er det støv, atomer og elementarpartikler, det går ud over. Det er mindre makabert, men mindst lige så spektakulært.

Alt det stof, som nærmer sig et sort hul, bliver tvunget ind i rotationen, så der dannes en skiveformet struktur omkring hullet. I fagsproget kaldes det en tilvækstskive.

Jo tættere stoffet kommer på det sorte hul, jo hurtigere bevæger det sig rundt i tilvækstskiven.

Rotationen forvandler stof til energi

Der er enorme mængder bevægelsesenergi på spil i tilvækstskiven, og det har fået astrofysikere til at spekulere over, om det måske vil være muligt at trække noget af energien ud og på den måde bruge et sort hul som en slags motor.

Fysikeren Roger Penrose var først fremme med tanken i 1971. Hans idé var, at hvis man smed en mængde stof mod et roterende sort hul på en måde, så noget af det blev kastet væk igen, så ville det have mere energi, end det havde fra begyndelsen.

Energien ville komme fra ergosfæren lige uden for begivenhedshorisonten, og processen ville dermed svække det sorte huls rotation. I princippet kan man på denne måde høste gigantiske mængder energi fra sorte huller.

Penroses idé er kun et tankeeksperiment og ikke nogen praktisk løsning på nutidens energikrise, men hans tanker har inspireret andre astrofysikere til at kigge nærmere på dynamikken i det stof, som hvirvler rundt i tilvækstskiven tæt på et sort hul.

Det stof, som er tættest på hullet, har mere fart på end stoffet i lidt større baner. Forskellen i hastighed betyder, at der opstår gnidningsmodstand, som sænker farten lidt på det inderste stof og øger den lidt på stoffet længere ude. Samtidig bliver der i processen udviklet varmeenergi, som sendes ud som stråling.

Sandt om sorte huller

I det tomme rum kan to såkaldt virtuelle partikler pludselig opstå for derefter hurtigt at udslette hinanden igen. Men hvis en af dem bliver slugt af et sort hul, går der rod i regnskabet. Det går kun op, hvis det sorte hul er blevet lettere. Partiklen, som er blevet i overskud, ser vi som såkaldt hawkingstråling fra det sorte hul.

Hvis det sorte hul har et meget hurtigt spin, kan stoffet inderst i ergosfæren blive så varmt, at det udsender røntgenstråling, som svarer til temperaturer på ti millioner grader. Vi kender ikke nogen anden proces i universet, som forvandler masse til energi så effektivt.

Omdannelsen af masse til energi sker efter Einsteins berømte ligning E = mc2, hvor E står for energi, m for masse, og c er lysets hastighed, og faktisk viser beregninger, at helt op til 42 procent af stoffet tæt på et sort hul på denne måde kan omsættes til energi.

Processen er samtidig drivkraften bag et af de mest spektakulære fænomener, vi kan observere i universet: kvasarerne. Kvasarer er de kraftigste vedvarende energiudladninger, vi kender til. De udsender stærk stråling på tværs af hele det elektromagnetiske spektrum, dvs. fra langbølget radiostråling over synligt lys til kortbølget røntgenstråling.

Kvasarerne skabes af store sorte huller, som omsætter enorme mængder stof i centrum af galakser langt fra vores egen, Mælkevejen.

Astronomerne har gennem de seneste årtier fået bedre mulighed for at studere strukturerne omkring kvasarerne takket være store radioteleskoper her på Jorden og satellitter som Chandra, der måler i røntgenbølgeområdet.

Fra regionen helt tæt på en kvasars sorte hul udskydes to kraftfulde jets, som består af energirigt plasma, dvs. ladede partikler, som er mindre end atomer. De kan have hastigheder helt op i nærheden af lysets og række tusinder af lysår ud i rummet.

De to jets skydes ud fra den inderste kant af tilvækstskiven, og det sker vinkelret på skiven i hver sin retning. Det er den samme struktur, astronomerne kan se ved de såkaldte mikrokvasarer, som findes meget tættere på os, nemlig spredt rundt i vores egen galakse. Mikrokvasarer er også drevet af sorte huller, men de er meget mindre.

Det sorte hul i en mikrokvasar har en masse, som svarer til en håndfuld solmasser, og det er typisk skabt af en kollapsende stjerne. Til sammenligning kan en “ægte” kvasar have et sort hul med en masse, der er flere hundrede millioner gange større.

Opdagelserne står i kø

Selvom de ikke kan se et sort hul direkte, gør astronomerne hele tiden nye opdagelser om universets mest gådefulde fænomen.

  • 2018

    Astronomer observerer for første gang et bøvs fra et sort hul – dvs. en kortvarig, men kraftig udledning af gas fra den inderste del af tilvækstskiven.

  • 2017

    Det hidtil ældste sorte hul findes i en kvasar, der ligger 13 milliarder lysår fra os.

  • 2016

    Astronomer opdager et ultratungt sort hul på 21 milliarder solmasser. Det er ny rekord.

  • 2015

    For første gang lykkes det at måle såkaldte tyngdebølger som følge af, at to sorte huller smelter sammen – det sker i 100-året for Einsteins generelle relativitetsteori, som netop forudsagde tyngdebølger i rumtiden.

  • 2014

    Forskere finder beviser på, at et sort huls kraftfulde jets skabes af hullets egen rotation.

Sorte huller spiser som svin

Studiet af kvasarer og mikrokvasarer ændrer på det traditionelle billede af et sort hul som et objekt, der opsluger alt omkring sig. Astrofysikerne mener i dag, at det kun er en brøkdel af det stof, der trækkes ind mod et sort hul, som ender med at blive slugt.

Nogle mener, det er omkring ti procent, andre, at det er en noget større andel, og i øvrigt varierer det formentlig fra hul til hul.

Der er dog enighed om, at en meget stor del af stoffet ikke når at komme ind bag begivenhedshorisonten, men bliver slynget væk fra tilvækstskiven eller spyttet ud som plasma i de kraftfulde jets. Så selvom sorte huller er grådige, kan man sige, at de spiser meget grimt.

Et sort hul kan godt være stort, uden at det ender som kvasar. Det gælder for eksempel det sorte hul, som findes i hjertet af Mælkevejen. Ved at studere kredsløbet på nogle stjerner, som ligger relativt tæt på Mælkevejens centrum, kan man regne sig frem til, hvor stor en masse der er samlet i hullet.

Regnestykket kræver, at man kender den såkaldte spektralklasse på stjernerne og dermed deres masser. Hvis man samtidig kender banernes størrelse og stjernernes omløbstid, er det ret enkelt at nå frem til et resultat. Uafhængige forskergrupper har lavet øvelsen flere gange, så vi i dag er ret sikre på, at det sorte hul i midten af Mælkevejen vejer lidt mere end fire millioner gange så meget som Solen.

Det sorte hul i midten af Mælkevejen og de sorte huller, vi ser som kvasarer i centrum af fjerne galakser, er ikke skabt af kollapsende stjerner. Astrofysikerne mener, at disse såkaldt supertunge sorte huller er dannet, samtidig med at galakserne omkring dem har taget form.

Det betyder, at sorte huller ikke bare er spektakulære fænomener i den kosmiske æra, vi befinder os i nu, men at de har været en drivende kraft bag udviklingen af det univers, vi kender.

Fysikere savner tabt information

Der er stor forskel på, hvor aktive de sorte huller i midten af galakser er. Det sorte hul midt i Mælkevejen er ret stilfærdigt, og det trækker formentlig “kun” en mængde stof til sig, som svarer til omkring 300 jordkloder om året.

Hvad der sker med den del af stoffet, som bliver opslugt af det sorte hul, kan vi ikke vide, fordi ikke engang lys kan slippe ud – og lys er som regel bærer af al information. Vi kan derfor heller ikke vide noget om det stof, det sorte hul oprindeligt er skabt af.

Det eneste, der karakteriserer et sort hul, er dets masse og spin.

Den amerikanske fysiker John Wheeler har udtrykt det med sætningen: “Sorte huller har ikke noget hår”. Bag udtalelsen ligger den observation, at når vi skal karakterisere et andet menneske, kan alene håret fortælle meget om personen.

Farven og strukturen kan sige noget om alder og etnisk oprindelse, frisuren noget om køn og kultur osv. Men sorte huller holder al information om deres oprindelse, indhold og historie fuldstændigt skjult for os.

Sorte huller har ikke noget hår. Det sagde den amerikanske fysiker John Wheeler om det forhold, at alle sorte huller ligner hinanden. Der er ikke nogen forskel på dem ud over deres masse og spin.

Netop informationstabet i sorte huller er et emne, som har optaget fysikere i årtier. Den generelle holdning har været, at i det øjeblik, stoffet opsluges af et sort hul, er al information om det gået tabt for os for altid. Og dog. En teori fremsat af den britiske fysiker Stephen Hawking har måske åbnet en dør på klem.

Baggrunden skal findes i et fænomen, som følger af “Heisenbergs usikkerhedsprincip”. Det indebærer, at der selv i det tomme rum, i absolut vakuum, kan opstå partikler af det rene ingenting. Populært sagt kan der “lånes” energi nok til at skabe en partikel og dens tilsvarende antipartikel.

Øjeblikket efter udsletter de dog hinanden igen, så energilånet betales tilbage. Denne aktivitet foregår hele tiden, og vi kan endda måle den.

Men hvad nu, hvis sådan et par virtuelle partikler skabes lige op ad begivenhedshorisonten på et sort hul? Og hvis den ene partikel bliver opslugt, og den anden slipper væk, før de kan nå at udslette hinanden? Så har vi pludselig en situation, hvor energilånet ikke kan betales tilbage.

Området uden for det sorte hul er blevet en partikel rigere og er dermed blevet tilført energi. Så for at regnskabet skal gå op, må den partikel, som blev opslugt, have tilført det sorte hul en tilsvarende mængde negativ energi. Og da masse og energi er forbundet, som vi kender det fra E = mc2, er nettoresultatet, at det sorte hul er blevet tilført negativ masse og dermed er blevet mindre.

Når vi betragter det sorte hul på lang afstand, vil vi opleve, at det sorte hul på denne måde udsender partikler og derfor strengt taget ikke er helt sort. Partiklerne vil udgøre det, som kaldes hawkingstråling.

Siden 1974, hvor Stephen Hawking fremsatte sin teori, har andre fysikere spekuleret i, at hawkingstrålingen måske kan bære information om et sort huls indre, og at vi ad den vej i princippet kan genskabe detaljerne om alt det stof, som gennem tiden er blevet slugt.

Faktisk gav spekulationerne anledning til et berømt væddemål. Amerikaneren John Preskill mente, at hawkingstrålingen godt kunne rumme informationen, mens Hawking selv anså det for umuligt. Men i 2004 var Hawking blevet overbevist om, at Preskill nok havde ret, så han valgte at erkende sit nederlag og overdrage Preskill gevinsten: et baseball-leksikon.

Diskussionen er dog langtfra slut og er det ikke foreløbig. Det er endnu ikke lykkedes at måle hawkingstråling fra et sort hul, så alene af den grund kan vi ikke afgøre, om den indeholder nogen information.
Hvis hawkingstråling findes, åbner den i øvrigt også helt andre perspektiver. Den vil nemlig betyde, at sorte huller kan fordampe og med tiden helt forsvinde.

Et sort hul, som ikke længere tilføres stof udefra, vil gennem hawkingstråling gradvist miste masse og blive mindre og mindre og lettere og lettere for til sidst at ende sit liv med et stille “pop!”. Ifølge Hawkings teori vil processen ske hurtigere for små sorte huller end for store.

Hawkings tanker er et godt eksempel på, hvilke udfordringer den teoretiske fysik tumler med. De teoretiske og matematiske muligheder rækker ofte langt videre end det, vi kan efterprøve med eksperimenter og observationer.

En fysisk teori kan være nok så besnærende, men senere vise sig at være helt forkert, fordi den bygger på forkerte forudsætninger. Omvendt kan en teori, som virker eksotisk og strider mod al intuition, vise sig at være forbløffende korrekt.

Einsteins generelle relativitetsteori har nu gennem et århundrede gang på gang vist sin styrke, ikke mindst i sin forudsigelse af sorte huller – og det, selvom Einstein faktisk ikke selv troede på, at de fandtes i virkeligheden.

Sorte huller er fysikkens legeplads

I teorien kan et sort hul (1) være forbundet til et såkaldt hvidt hul (2) et helt andet sted i universet. Forbindelsen kaldes et ormehul (3) og åbner mulighed for at skyde genvej gennem både tiden og rummet.

Relativitetsteorien er presset til det yderste

Ligningerne i Einsteins teori er meget rummelige og åbner muligheder, som kan være svære at acceptere.

Sammen med sin studerende Nathan Rosen fandt Einstein for eksempel allerede i 1930’erne frem til, at rumtiden teoretisk set kunne krumme så meget, at to områder, som ellers ligger meget langt fra hinanden, kan blive forbundet af en lille bro, et såkaldt ormehul.

Ideen har siden inspireret mange science fiction-forfattere til at lade deres hovedpersoner krydse enorme afstande af rummet på meget kort tid, og ormehuller har på den måde været kilden til de mest utrolige historier.

Hvis ormehuller virkelig eksisterer og kan opretholdes gennem længere tid, vil de faktisk have nogle endnu mere bizarre egenskaber. Ikke nok med, at de giver mulighed for kosmiske genveje gennem rummet, de tillader os også at rejse tilbage i tiden.

Vi vil kunne bevæge os rundt i nogle lukkede tidsringe, hvor fremtiden også er fortiden. Matematikeren Kurt Gödel beskrev i 1949 et univers, som indeholdt præcis den slags tidsringe, som gennemløb de samme begivenheder igen og igen i en endeløs cyklus.

I en lukket tidsring ville det også være muligt at dræbe sine egne bedsteforældre, før de fik ens forældre, og på den måde medfører ormehuller og tidsringe alle de paradokser, som knytter sig til tidsrejser.

Der er ikke noget i relativitetsteorien, som forhindrer ormehuller, men det betyder ikke, at de findes i vores univers. Måske er der nogle endnu ukendte naturlove, som simpelthen ikke tillader, at de kan forekomme.

Stephen Hawking mente, at det må forholde sig sådan, og har kaldt det en “formodning om kronologiens beskyttelse”. Typisk for Hawking har han samtidig humoristisk kaldt formodningen det princip, som gør universet til et sikkert sted at opholde sig for historikere.

Relativitetsteorien åbner mulighed for, at der i forbindelse med sorte huller kan findes lukkede tidsringe, hvor fortiden også er fremtiden. I en lukket tidsring vil du opleve det samme igen og igen i al evighed.

Dermed ikke sagt, at Hawking generelt var afvisende over for eksotiske muligheder i universet – og slet ikke, når det gælder forestillinger om, hvad der foregår i sorte huller. Som han udtrykte det i en forelæsning i 2015:

“Sorte huller er ikke så sorte, som de ofte fremstilles. De er ikke de evige fængsler, vi engang troede. Ting kan godt komme ud af et sort hul – både til dets overflade og muligvis til et helt andet univers. Så hvis du oplever at være i et sort hul, så giv ikke op. Der er en vej ud.”

Det samme gælder forhåbentlig for astrofysikerne i deres stræben efter at forstå de sorte hullers inderste natur.

Lige nu må vi erkende, at de sorte huller ikke bare punkterer universet, men også vores viden om det. Einsteins relativitetsteori er presset til det yderste, når forskerne prøver at beskrive, hvad der foregår i singulariteten bag begivenhedshorisonten.

De sorte huller repræsenterer på én gang det allerstørste og det allermindste, vi kan forestille os: en ubegribeligt stærk tyngdekraft samlet på et forsvindende lille område i rummet. Lige her, i singulariteten, mødes relativitetsteorien med kvantemekanikken – de to store fysiske teorier, som det endnu ikke er lykkedes at forene.

Øverst på astrofysikernes ønskeseddel står en samlet teori om kvantegravitation, som kan forbinde dem. Indtil dette ønske bliver opfyldt, vil de sorte huller forblive universets største mysterium.

Læs også:

Computere

Hvordan taler Stephen Hawking?

1 minut
Black hole 11/14
Sorte huller

Stjerner sladrer om sort hul

2 minutter
Universet

Læs Stephen Hawkings ph.d.-afhandling gratis online

2 minutter

Log ind

Fejl: Ugyldig e-mailadresse
Adgangskode er påkrævet
VisSkjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klik hér

Ny bruger? Få adgang nu!