Sort hull

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Jump to navigation Jump to search
Schwarzschild black hole
Simulering av hvordan et sort hull kan bøye av lyset fra en bakenforliggende galakse.
Simulering av hvordan et sort hull framfor Melkeveien skal kunne se ut. Det sorte hullet har 10 solmasser, og ses her fra en avstand på 600 km. For å opprettholde denne avstanden kreves det en akselerasjon på omkring 400 millioner G.[1]

Et sort hull er den fysiske effekten av et objekt som har en masse tilsvarende 3-4 ganger solens og oppover, og som har ekstremt høy tetthet. Yttergrensen til et sort hull kalles hendelseshorisont, og innenfor denne er gravitasjonskreftene så store at ingenting kan unnslippe - ikke engang lys. Teorien om generell relativitet forutser at et objekt med tilstrekkelig stor masse som kollapser (komprimeres) til en størrelse mindre enn sin egen schwarzschild-radius, vil ha en unnslipningshastighet som er høyere enn lyshastigheten. Siden 1967 har slike objekter blitt kalt «sorte hull» ettersom intet lys fra innenfor hendelseshorisonten slipper ut.[2]

I 1974 viste Stephen Hawking ved bruk av kvantefeltteori at et sort hull er et sort legeme. Det vil derfor avgi stråling ifølge Stefan-Boltzmanns lov med en temperatur som Hawking fant å være omvendt proporsjonal med massen til det sorte hullet. Dette gjør det vanskelig å observere denne strålingen fra sorte hull med masser av samme størrelsesorden som Solen eller enda større.

Objekter med en gravitasjon så stor at ikke en gang lyset kan unnslippe, ble først overveid som en mulighet på 1700-tallet av John Michell og Pierre-Simon Laplace. De første moderne forutsigelser av et sort hull i generell relativitetsteori ble funnet av Karl Schwarzschild i 1916 som en ren teoretisk konstruksjon, selv om det gikk ytterligere fire tiår før hypotesen ble akseptert. Etter at det lenge ble betraktet som en matematisk merkverdighet, var det ikke før på 1960-tallet at teoretisk arbeid viste at sorte hull var en logisk følge av teorien om generell relativitet. Oppdagelsen av nøytronstjerner utløste interesse for kollapsede objekter med stor masse som en mulig astrofysisk virkelighet.

Siden sorte hull er veldig små i utstrekning (i astronomisk sammenheng), og ikke kan observeres direkte, har påvising av disse objektene basert seg på gravitasjonseffekten de har - enten på objekter i nærheten, eller på lys som passerer nær det sorte hullet (gravitasjonslinser). Tidlig på 2000-tallet kunne astrofysikere ved hjelp av indirekte observasjoner fastslå at det befinner seg et supermassivt sort hull i Melkeveiens sentrum (Sagittarius A*) med en masse anslått til 4,6 millioner ganger solens.[3]

Historie[rediger | rediger kilde]

Tanken om et legeme med så stor masse at ikke en gang lys kan unnslippe ble først lagt fram av den britiske geologen John Michell i 1783 i en artikkel sendt inn til Royal Society. Newtons gravitasjonsteori og begrepet unnslipningshastighet var på denne tiden ganske velkjente. Michell beregnet at et legeme med 500 ganger solens radius og omtrent samme tetthet skulle ha en unnslipningshastighet på overflaten som var lik eller større enn lysets hastighet, noe som ville bety at legemet ville være usynlig siden ikke en gang lys hadde stor nok hastighet til å unnslippe. I Michells egne ord:

«Om halvdiameter av en kule med samme tetthet som solen skulle overgå halvdiameteren til solen i forholdet 500 til 1, ville et legeme som faller fra en uendelig høyde mot den ha ervervet ved dens overflate en større hastighet enn lysets, og følgelig - ved å anta at lys blir tiltrukket av den samme kraften som andre legemer (i forhold til dets massetreghet) - ville alt lys avgitt fra et slikt legeme bli trukket tilbake til kulen av dens gravitasjon.»
—John Michell[4]

Michell anså det som usannsynlig, men fullt mulig at flere slike objekter kunne finnes i universet. Michells forestilling om at lyset sendes ut fra en slik supermassiv stjerne for så å bremses opp, stoppe og falle tilbake, er senere tilbakevist av moderne relativitetsteorier.

I 1796 fremmet den franske matematikeren Pierre-Simon Laplace den samme tanken i de første og andre utgavene av hans bok Exposition du système du Monde (men den ble fjernet fra senere utgaver).[5][6] Slike «mørke stjerner» ble hovedsakelig oversett på 1800-tallet da det ikke ble forstått hvordan en bølge uten masse som lys kunne påvirkes av tyngdekraft.[7]

Den generelle relativitetsteorien[rediger | rediger kilde]

En kunstnerisk fremstilling av et roterende sort hull med en nærliggende stjerne utenfor dens Roche-grense. Materiale fra stjernen trekkes inn mot det sorte hullet og danner en akkresjonsskive samtidig som akselrasjonen av materialet som faller inn gjennom hendelseshorisonten skaper intens røntgenstråling som slynges ut langs hullets rotasjonsakse.

Albert Einsteins generelle relativitetsteori i 1915 endret dette. Han hadde tidligere påvist at tyngdekraft faktisk påvirket lys. Noen måneder etter utgivelsen av relativitetsteorien utga Karl Schwarzschild løsningen på ligningen som beskrev gravitasjonsfeltet hos en punktformet masse i et for øvrig tomt rom og antydet dermed at det som vi i dag kaller for et sort hull faktisk kunne eksistere. Schwarzschild-radius betegner radien et ikke-roterende objekt må komprimeres til for at unnslipningshastigheten skal overstige lyshastigheten (og dermed skape et sort hull). Schwarzschild selv trodde ikke at sorte hull kunne manifestere seg fysisk.[8] Noen få måneder etter Schwarzschild kunne Johannes Droste, en student av Hendrik Lorentz, uavhengig gi den samme løsningen for en punktmasse og han skrev mer utfyllende om dens proporsjoner.[9]

Robert Oppenheimer (sammen med Solomon H. Snyder) forutså således at store stjerner kunne gjennomgå en dramatisk gravitasjonskollaps. Sorte hull kunne i prinsippet oppstå i naturen. I en periode kaltes slike legemer for frosne stjerner. De inntil videre hypotetiske sorte hullene fikk dog ingen større oppmerksomhet før sent på 1960-tallet da interessen for kollapsede objekter ble vekket på nytt av oppdagelsen av pulsarer (nøytronstjerner). Kort tid etter ble begrepet «sort hull» (black hole) første gang benyttet av den teoretiske fysikeren John Archibald Wheeler under en konferanse i 1967. Tidligere hadde uttrykket «sort stjerne» (black star) vært benyttet. Uttrykket forekommer i blant annet et tidlig avsnitt av Star Trek. I fransk og russisk oversettelse har betydningen av «sort hull» en tilleggsmening som «vakkert sammenstøt», noe som er årsaken til at begrepet «svart stjerne» til en viss grad fortsatt blir benyttet[trenger referanse].

22. januar 2014 lanserte Stephen Hawking en teori om at hendelsehorisonten som definerer sorte hull ikke eksisterer. [10] Han skriver i en rapport at det ikke finnes noen sorte hull på grunn av fraværet av en hendelseshorisont, og at lys og materiale som fanges av et sort hull ikke kan bli fullstendig tilintegjort. Et alternativt forslag er at kvantefysikken får rommet ved et sort hull til å oppføre seg så vilt at det ikke går an å snakke om noen hendelseshorisont. Systemer vil til slutt slippe ut igjen om de har havnet i et sort hull. [11]

På 1970-tallet ble det lansert en alternativ hypotese som foreslo at et sort hull kan være forbundet med et såkalt hvitt hull og danne et "ormehull" i romtid. Hvite hull skulle ifølge hypotesen kunne manifestere seg som et gammaglimt, men det finnes pr. 2018 ingen observasjoner som underbygger denne hypotesen.[12]

Rådende teorier om sorte hull[rediger | rediger kilde]

Siden intet lys eller stråling kan unnslippe et sort hull, er det ikke mulig å observere direkte hva som befinner seg i senteret. Pr. 2018 er det ingen som med sikkerhet vet hva som finnes inne i et sort hull, og det finnes heller ingen fysiske modeller eller teorier som fullt ut forklarer disse ekstreme objektene. På overflaten til et tenkt objekt i det sorte hullets gravitasjonssenter vil lyshastigheten være overskredet, noe som gjør at den generelle relativitetsteorien ikke lenger er tilstrekkelig for å forklare hva som skjer. Et hypotetisk éndimensjonalt punkt uten utstrekning og med uendelig tetthet er en modell som brukes for å forsøke å forklare hva som skjer. Dette punktet kalles en singularitet, og det sorte hullets samlede masse befinner seg i dette punktet.

To hovedtyper sorte hull synes å eksistere. I ene enden av størrelses-skalaen er sorte hull som er oppstått etter at en stor stjerne har kollapset. Disse sorte hullene har masse som tilsvarer 3 ganger solens masse og oppover. De antas å være spredd rundt om i galaksene og universet, og de er nærmest umulig å oppdage. I andre enden av skalaen er supermassive sorte hull som antas å finnes i senteret til de fleste galaksene. Et supermassivt sort hull kan ha en masse tilsvarende mange millioner sol-masser. Når materiale (som gass fra en stjerne som kommer for nær) faller inn i et supermassivt sort hull, vil det genereres ekstremt intens stråling - både synlig lys, røntgen- og gammastråling. Disse objektene kalles kvasarer, og er de mest strålingssterke objektene som er kjent.

Det er ikke funnet bevis for at såkalte "mellomstore" sorte hull eksisterer. Imidlertid har observasjoner gjort av romteleskopene Hubble (synlig lys), Chandra og XMM-Newton (røntgensstråler) styrket hypotesen om at slike mellomstore sorte hull kan finnes.[13]

Referanser[rediger | rediger kilde]

  1. ^ Kraus, Ute. «Step by Step into a Black Hole». Besøkt 20. mars 2005. 
  2. ^ Davies, P.C.W. (1978): «Thermodynamics of Black Holes» Arkivert 10. mai 2013 hos Wayback Machine. (PDF). Reports on Progress in Physics 41 (8): 1313–1355. doi:10.1088/0034-4885/41/8/004.
  3. ^ University of California, Los Angeles Division of Astronomy & Astrophysics, Galactic Center Group: Is there a black hole at the center of the Galaxy? Besøkt 9. mars 2018
  4. ^ Michell, J. (1784): «On the Means of Discovering the Distance, Magnitude, &c. of the Fixed Stars, in Consequence of the Diminution of the Velocity of Their Light, in Case Such a Diminution Should be Found to Take Place in any of Them, and Such Other Data Should be Procured from Observations, as Would be Farther Necessary for That Purpose». Philosophical Transactions of the Royal Society 74 (0): 35–57. Bibcode 1784RSPT...74...35M. doi:10.1098/rstl.1784.0008. JSTOR 106576. Originalteksten er som følger: «If the semi-diameter of a sphere of the same density as the Sun were to exceed that of the Sun in the proportion of 500 to 1, a body falling from an infinite height towards it would have acquired at its surface greater velocity than that of light, and consequently supposing light to be attracted by the same force in proportion to its vis inertiae, with other bodies, all light emitted from such a body would be made to return towards it by its own proper gravity.»
  5. ^ «Dark Stars (1783)». Thinkquest. 1999.
  6. ^ Israel, W. (1989): «Dark stars: the evolution of an idea» i: Hawking, S.W.; Israel, W.: 300 Years of Gravitation. Cambridge University Press. ISBN 9780521379762.
  7. ^ Thorne 1994, ss. 123–124
  8. ^ Schwarzschild, K. (1916): «Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie». Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften 7: 189–196. og Schwarzschild, K. (1916): «Über das Gravitationsfeld eines Kugel aus inkompressibler Flüssigkeit nach der Einsteinschen Theorie». Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften 18: 424–434.
  9. ^ Droste, J. (1915): «On the field of a single centre in Einstein's theory of gravitation». Koninklijke Nederlandsche Akademie van Wetenschappen Proceedings 17 (3): 998–1011.
  10. ^ Sitat fra Stephen Hawking
  11. ^ Det finnes ingen sorte hull
  12. ^ Earth Sky: Have we seen a white hole? (publisert 27. mai 2011) Besøkt 9. mars 2018
  13. ^ NASA Science: Black Holes Besøkt 10. mars 2018

Litteratur[rediger | rediger kilde]

  • Carroll, Sean M. (2003): Spacetime and Geometry: An Introduction to General Relativity, Addison-Wesley, San Francisco. ISBN 0-8053-8732-3.
  • Melia, Fulvio (2003): The Black Hole in the Center of Our Galaxy, Princeton University Press.
  • Melia, Fulvio (2007): The Galactic Supermassive Black Hole, Princeton University Press.
  • Shapiro, S. L.; Teukolsky, S. A. (1983): Black Holes, White Dwarfs and Neutron Stars: The Physics of Compact Objects, Wiley-Interscience.
  • Taylor, Edwin F.; Wheeler, John. A. (2000): Exploring Black Holes: Introduction to General Relativity, Benjamin Cummings.
  • Thorne, Kip S. (1994): Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy, W. W. Norton, New York. ISBN 0-393-31276-3.
  • «Black Holes». Scholarpedia. 2008
  • «Black Holes. Gravity's Relentless Pull». Hubblesite. Et interaktiv undervisningsnettsted om svarte hull

Eksterne lenker[rediger | rediger kilde]