En introduktion till svarta hål

Svarta hål är föremål i universum med så mycket massa fångade inuti sina gränser att de har otroligt starka gravitationsfält. I själva verket är gravitationskraften i ett svart hål så stark att ingenting kan undkomma när det har gått in. Inte ens ljus kan undkomma ett svart hål, det är fångat inuti tillsammans med stjärnor, gas och damm. De flesta svarta hål innehåller många gånger massan av vår sol och de tyngsta kan ha miljoner solmassor.

Denna datorsimulerade bild visar ett supermassivt svart hål i kärnan i en galax. Den svarta regionen i mitten representerar det svarta hålets händelseshorisont, där inget ljus kan undkomma det stora objektets gravitationella grepp. Det svarta hålets kraftfulla tyngdkraft snedvrider utrymmet runt det som en spegel i en funhouse. Ljus från bakgrundsstjärnor sträckes och smetas ut när stjärnorna skummar vid det svarta hålet. NASA, ESA och D. Coe, J. Anderson och R. van der Marel (Space Telescope Science Institute), Science Credit: NASA, ESA, C.-P. Ma (University of California, Berkeley) och J. Thomas (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Tyskland).

Trots all den massan har den faktiska singulariteten som utgör kärnan i det svarta hålet aldrig setts eller avbildats. Det är, som ordet antyder, en liten punkt i rymden, men den har en massa massa. Astronomer kan bara studera dessa objekt genom deras effekt på materialet som omger dem. Materialet runt det svarta hålet bildar en roterande skiva som ligger precis bortom ett område som kallas "händelshorisonten", som är gravitationspunkten för ingen återkomst.

Strukturen för ett svart hål

Det grundläggande "byggstenen" för det svarta hålet är singulariteten: ett kortpunktsområde i rymden som innehåller hela det svarta hålets massa. Runt det är ett område i rymden från vilket ljus inte kan fly, vilket ger "svarta hålet" sitt namn. Den yttre "kanten" i denna region är det som bildar händels horisonten. Det är den osynliga gränsen där dragningen i gravitationsfältet är lika med ljusets hastighet. Det är också där tyngdkraften och ljushastigheten balanseras.

Händelsens horisontella position beror på det svarta hålets gravitationella drag. Astronomer beräknar platsen för en händelseshorisont runt ett svart hål med ekvationen R_s = 2 GM / c². R är singularitetens radie, G är tyngdkraften, M är massan, c är ljusets hastighet. 

Svarthålstyper och hur de bildas

Det finns olika typer av svarta hål, och de kommer på olika sätt. Den vanligaste typen kallas ett svart hål i stjärnmassan. Dessa innehåller ungefär några gånger massan av vår sol, och bildas när stora huvudsekvensstjärnor (10 - 15 gånger massan från vår sol) slutar på kärnbränsle i deras kärnor. Resultatet är en massiv supernovaexplosion som spränger stjärnornas yttre lager till rymden. Det som finns kvar kollapsar för att skapa ett svart hål.

En konstnärs uppfattning av en stjärna-svart svart hål (i blå) hatt formades troligen när en supermassiv stjärna kollapsade och matades från material som kastades ut av en närliggande stjärna. ESA, NASA och Felix Mirabel)

De två andra typerna av svarta hål är supermassiva svarta hål (SMBH) och mikro-svarta hål. En enda SMBH kan innehålla massan av miljoner eller miljarder solar. Mikrosvarta hål är, som deras namn antyder, mycket små. De kanske bara har 20 mikrogram massa. I båda fallen är mekanismerna för att skapa dem inte helt tydliga. Mikrosvarta hål finns i teorin men har inte upptäckts direkt.

Supermassiva svarta hål har funnits i kärnorna i de flesta galaxer och deras ursprung diskuteras fortfarande varmt. Det är möjligt att supermassiva svarta hål är resultatet av en sammanslagning mellan mindre, svarta hål i stellarmassan och annan materia. Vissa astronomer föreslår att de kan skapas när en enda mycket massiv (hundratals gånger solens massa) stjärna kollapsar. Hursomhelst är de tillräckligt massiva för att påverka galaxen på många sätt, allt från effekter på starbirth rate till banor av stjärnor och material i deras närhet.

Många galaxer har supermassiva svarta hål vid sina kärnor. Om de aktivt "äter", avger de stora jets och är kända som aktiva galaktiska kärnor. NASA / JPL-Caltech

Å andra sidan kan mikrosvarta hål skapas under kollisionen av två mycket högenergipartiklar. Forskare föreslår att detta händer kontinuerligt i den övre atmosfären på jorden och kommer sannolikt att hända under experiment med partikelfysik på sådana platser som CERN. 

Hur forskare mäter svarta hål

Eftersom ljus inte kan fly från regionen runt ett svart hål som påverkas av händelseshorisonten, kan ingen verkligen "se" ett svart hål. Astronomer kan dock mäta och karakterisera dem genom de effekter de har på deras omgivningar. Svarta hål som är nära andra föremål har en gravitationseffekt på dem. För en sak kan massan också bestämmas av banans material runt det svarta hålet.

En modell av ett svart hål omgiven av uppvärmt joniserat) material. Det här kan vara hur det svarta hålet i Vintergatan "ser ut". Brandon DeFrise Carter, CC0, Wikimedia.   

I praktiken drar astronomer närvaron av det svarta hålet genom att studera hur ljus uppför sig runt det. Svarta hål, som alla massiva föremål, har tillräckligt med dragkraft för att böja ljusets väg när det passerar. När stjärnor bakom det svarta hålet rör sig i förhållande till det, kommer det ljus som släpps ut av dem att verka förvrängd, eller så kommer stjärnorna tycks röra sig på ett ovanligt sätt. Från denna information kan positionen och massan på det svarta hålet bestämmas.

Detta är särskilt uppenbart i galaxklyngar där den kombinerade massan av kluster, deras mörka materie och deras svarta hål skapar konstigt bågar och ringar genom att böja ljuset från mer avlägsna objekt när det passerar förbi. 

Astronomer kan också se svarta hål genom strålningen som det uppvärmda materialet kring dem avger, till exempel radio- eller röntgenstrålar. Materialets hastighet ger också viktiga ledtrådar till egenskaperna hos det svarta hålet som det försöker undkomma.

Hawking strålning

Det sista sättet som astronomer kan upptäcka ett svart hål är genom en mekanism som kallas Hawking-strålning. Uppkallad efter den berömda teoretiska fysikern och kosmologen Stephen Hawking, Hawking-strålning är en konsekvens av termodynamik som kräver att energi flyr från ett svart hål.

Den grundläggande idén är att på grund av naturliga interaktioner och fluktuationer i vakuumet kommer saken att skapas i form av en elektron och en anti-elektron (kallas en positron). När detta inträffar nära händelseshorisonten, kommer en partikel att matas ut från det svarta hålet, medan den andra kommer att falla in i gravitationskällan.

För en iakttagare är allt som "ses" en partikel som släpps ut från det svarta hålet. Partikeln skulle ses som att ha positiv energi. Detta betyder genom symmetri att partikeln som föll i det svarta hålet skulle ha negativ energi. Resultatet är att när ett svart hål åldras förlorar det energi och förlorar därför massan (av Einsteins berömda ekvation, E = MC², var E= energi, M= massa och C är ljusets hastighet).

Redigerad och uppdaterad av Carolyn Collins Petersen.