Har videnskaben påvist sorte huller?

DET lyder som science fiction når man hører fagfolks bud på hvordan sorte huller opstår: Det sker ved at særlig massive stjerner kollapser under deres egen gravitationskraft (tyngdekraft), der er så enorm at den endog kan tilbageholde lys. Mange astronomer mener at sorte huller forekommer flere steder i universet. Kunne du tænke dig at vide mere om dem? Så følg med i vores beretning, der tager udgangspunkt på nordhimmelen i det smukke stjernebillede Cygnus (Svanen).

Cygnus X-1 — et sort hul?

Siden 1960’erne har astronomerne interesseret sig for et bestemt område i stjernebilledet Cygnus. Ved hjælp af rumobservatorier i kredsløb uden for Jordens atmosfære opdagede man at området Cygnus X-1 afgav kraftig røntgenstråling.

Forskere har længe været klar over at jo varmere en genstand er, jo mere energi afgiver den i form af varmestråling på kortere, mere energirige bølgelængder. Det svarer til det der sker med et stykke jern som en smed varmer op i en esse. Opvarmningen gør først jernet rødglødende, dernæst gult og til sidst hvidglødende. Ved hjælp af den samme farveskala kan man aflæse stjernernes temperaturer. Forholdsvis kolde stjerner med en temperatur omkring 3000 kelvina er røde, mens himmellegemer med en temperatur omkring 6000 kelvin (for eksempel Solen) er gule. Men den røntgenstråling der udgår fra Cygnus X-1, forudsætter at en gassky opvarmes til millioner af kelvin. Ingen stjerner har en så høj overfladetemperatur.

I Cygnus X-1 findes en stjerne, HDE 226868, med en overfladetemperatur der anslås til 30.000 kelvin. Det er varmt, men ikke nær nok til at fremkalde røntgenstråling. Stjernens masse skønnes at være 30 gange så stor som Solens. Dens afstand til Jorden anslås til 6000 lysår.b Denne superkæmpe har en „tvilling“, og de to hvirvler rundt i en klodedans med en cyklus på 5,6 døgn. Forskerne har beregnet at tvillingen kun befinder sig nogle få millioner kilometer fra HDE 226868. Dens masse ansættes løseligt til ti gange Solens. Men tvillingen er mærkværdigt nok usynlig. Det gælder ellers ikke normale stjerner af den størrelsesorden i den afstand fra Jorden. En genstand der har den masse, og som tilsyneladende afgiver røntgenstråler, men ikke synligt lys, svarer til sagkundskabens signalement af et sort hul.

En fantasirejse til et sort hul

Forestil dig at du kunne rejse til Cygnus X-1. Forudsat at det er et sort hul, kunne du blive mødt af et syn nogenlunde som illustreret på side 17. Den store stjerne er HDE 226868. Den har en diameter på flere millioner kilometer, mens det sorte hul måske er hen ved 60 kilometer i diameter. Den mikroskopiske sorte prik i midten af malstrømmen af glødende gas er begivenhedshorisonten, det sorte huls tragtåbning eller kant. Inden for dette område er gravitationskraften (tyngdekraften) så stærk at ikke engang lys kan undslippe. Mange forskere mener at der i det sorte huls inderste findes et dimensionsløst punkt af uendelig tæthed, en såkaldt singularitet, der har opsuget alt stof i det sorte hul.

Det sorte hul gør indhug i tvillingestjernens ydre lag af gas. Under den stærke gravitationskraft danner gassen en skive der roterer stadig hurtigere, og som gløder på grund af friktionsvarmen. I umiddelbar nærhed af det sorte hul accelererer denne stærkt ophedede gasskive til så høj hastighed at der udsendes røntgenstråler. Når gassen indfanges af det sorte hul, kan den naturligvis hverken afgive røntgenstråler eller noget andet.

Cygnus X-1 er et fantastisk skue, men man gør klogt i at holde forsvarlig afstand. Både røntgenstrålingen og gravitationskraften er dødbringende. Her på jordkloden er forskellen på gravitationskraften ved overfladen og i hovedhøjde umærkelig. Men i Cygnus X-1 er denne forskel forstærket 150 milliarder gange og rykker alt itu.

Cygnus A — et supertungt sort hul?

Der findes endnu et gådefuldt område i konstellationen Cygnus. Området udgør en forsvindende lille del af en fjern galakse, men udsender nogle af de kraftigste radiobølger i rummet. Dets navn er Cygnus A, og lige siden det blev opdaget for over 50 år siden, har det voldt videnskaben hovedbrud.

Størrelsen af Cygnus A overgår vor fatteevne. Cygnus X-1 befinder sig i vor egen galakse, 6000 lysår borte, men afstanden til Cygnus A anslås til flere hundrede millioner lysår. Kun et lysminut eller så adskiller Cygnus X-1 og dens synlige tvilling, men de gasskyer der dannes af to radiojets i Cygnus A, har en indbyrdes afstand på flere hundrede tusind lysår. Øjensynlig har en slags kosmisk strålekanon i Cygnus A’s centrum affyret disse intense energistråler i modsatte retninger i hundredtusinder eller måske millioner af år. Detaljerede radiokort over centrum i Cygnus A viser at strålekilden er meget lille i forhold til strålerne, mindre end en lysmåned. Hvis dens retning havde ændret sig det mindste i al den tid, ville strålerne være krumme. Men de mystiske stråler er fuldstændig lige, som om „strålekanonen“ havde været stabiliseret ved hjælp af et kæmpemæssigt gyroskop.

Hvad skyldes det? „Af de talløse forklaringsmodeller til den centrale kraftkilde der blev fremført indtil begyndelsen af 1980’erne, medtog kun én et ganske enestående gyroskop med lang levetid, en størrelse under en lysmåned og evne til at udsende kraftige stråler,“ skriver fysikeren professor Kip S. Thorne. „Denne unikke forklaring var et kæmpemæssigt, roterende sort hul.“

Andre mulige sorte huller

I 1994 blev det nyreparerede Hubble-rumteleskop rettet mod „nabogalaksen“ M87, hvis afstand til Jorden beregnes til 50 millioner lysår. Gennem dets renoverede linsesæt fik man midt i M87 øje på en hvirvelstrøm af gas der med en svimlende hastighed på knap 2 millioner kilometer i timen kredsede omkring et objekt. Hvad kunne få gassen til at bevæge sig i et sådant tempo? Beregninger viste at genstanden i midten af malstrømmen måtte have en masse der kunne opveje mindst to milliarder sole. Men objektet fylder ikke mere end vort solsystem. Det eneste forskerne kan få til at stemme overens med denne beskrivelse, er et supertungt sort hul.

Efterhånden er flere mulige sorte huller blevet opdaget i midten af nogle nærliggende galakser, blandt andet vor „nabogalakse“ Andromedatågen, sølle to millioner lysår herfra. Men måske findes der et kæmpemæssigt sort hul endnu nærmere! Nylige observationer gør det sandsynligt at et sort hul af kolossal udstrækning befinder sig i centrum af vor egen galakse, Mælkevejen. Fænomenet er lille, men har en masse der skønnes at svare til 2,4 millioner sole og tvinger stjernerne nær centrum af vor galakse ind i et omløb med ufattelige hastigheder. Professor Thorne bemærker: „De vidnesbyrd der er blevet stykket sammen i løbet af 1980’erne, tyder på at sådanne huller ikke kun findes i kernen af de fleste kvasarer og radiogalakser, men også i kernen af de fleste store, normale galakser som Mælkevejen og Andromedatågen.“

Har forskerne virkelig påvist sorte huller? Muligvis. I stjernebilledet Cygnus og andre steder har de i hvert fald opdaget nogle højst besynderlige objekter der ud fra den foreliggende viden bedst lader sig forklare som sorte huller. Men det kan også ske at nye opdagelser sætter spørgsmålstegn ved de vedtagne teorier.

For mere end 3500 år siden spurgte Gud Job: „Kender du himmelens forskrifter?“ (Job 38:33) Trods de imponerende videnskabelige landvindinger er spørgsmålet stadig aktuelt. Når alt kommer til alt, er det før set at netop som mennesket begynder at antage at det forstår universet, kuldkaster nye, uventede iagttagelser de omhyggeligt opstillede teorier. Men uanset hvordan videnskaben vil fortolke det der foregår, kan vi til hver en tid forundret betragte stjernerne og glæde os over deres skønhed.

[Fodnoter]

[Ramme/illustration på side 16, 17]

Hvordan opstår sorte huller?

HVAD får stjernerne til at lyse? Ifølge gældende videnskabelig opfattelse skyldes det et konstant modspil mellem gravitationskraften og kernekraften. Tyngdekraften komprimerer gas i stjernernes indre og skaber betingelser for kernefusion. Men hvis der ikke foregår nogen kernefusion som modvirker gravitationskraften, sker der mystiske ting med stjerner.

Videnskaben mener at når stjerner på størrelse med Solen har opbrugt deres kernebrændsel i form af hydrogen og helium, komprimeres de af gravitationskraften til hede slagger på størrelse med Jorden. De bliver til det der kaldes hvide dværge. En hvid dværg har måske samme masse som Solen, men kun en milliontedel af Solens rumfang.

Det afklarer måske begreberne hvis man forestiller sig at næsten al masse i atomerne befinder sig i en diminutiv kerne omgivet af en væsentlig større sky af elektroner og tomrum. Inde i en hvid dværg maser gravitationskraften atomernes elektronsky sammen til en brøkdel af det hidtidige rumfang, og stjernen formindskes til planetstørrelse. For stjerner på størrelse med Solen gælder det at gravitationskraften og elektronernes kræfter på dette stadium ophæver hinanden, og komprimeringen standser.

Men det forholder sig anderledes med stjerner der er tungere end Solen og derfor har større gravitationskraft. I stjerner der er mere end 1,4 gange så massive som Solen, er gravitationskraften så stærk at elektronskyen tilintetgøres. Det betyder at protoner og elektroner forenes til neutroner. Forudsat at gravitationen ikke er for stærk, bliver neutronerne ikke mere kompakte. Der fremkommer ikke en hvid dværg af planetstørrelse, men en neutronstjerne på størrelse med en lille asteroide. Neutronstjerner består af stof hvis tæthed overgår alt andet kendt stof i universet.

Men hvad sker der hvis gravitationskraften forstærkes yderligere? Man mener at gravitationskraften i stjerner med tre gange Solens masse overvinder neutronernes modstandskraft. Fysikerne kender intet stof der kan modstå dette frygtindgydende opbud af gravitation. Man formoder at neutronstjernen ikke kun ville blive klemt sammen til en mindre kugle, men ville blive tilintetgjort og dermed blive en singularitet eller en anden, endnu ukendt, teoretisk enhed. Stjernen ville da tilsyneladende være forsvundet og kun efterlade sig spor i form af sin gravitation og et sort hul som i stjernens sted ville danne en gravitationsbrønd. Det ville fremkalde så stærk en gravitation at intet, end ikke lys, kunne slippe ud.

[Illustration]

Cygnus (Svanen)

1

2

3

I stjernebilledet Cygnus (Svanen) finder man blandt andet Nordamerikatågen (1) og Velatågen (2). Cygnus X-1 (3) er beliggende ude i svanehalsen

[Illustrationer på side 17]

3

Teorien om Cygnus X-1

Sorte huller opdages som følge af deres virkning på andre himmellegemer. Illustrationen forestiller stjernegasser der trækkes ned i et sort hul

En kunstners gengivelse af et sort hul (i den røde firkant); herunder i forstørrelse

[Kildeangivelse på side 14]

Einstein: Foto fra U.S. National Archives

[Kildeangivelse på side 16]

Tony og Daphne Hallas/Astro Photo

[Kildeangivelse på side 16]

Tony og Daphne Hallas/Astro Photo