Har astronomene virkelig funnet svarte hull?

DET fortoner seg som science fiction — tidligere klare stjerner blir til usynlige, svarte hull, presset sammen av sin egen gravitasjonskraft, der ingenting, ikke engang lyset, unnslipper. Mange astronomer tror at svarte hull er alminnelig utbredt i universet. Har du lyst til å vite mer om dem? Historien begynner i det vakre nordlige stjernebildet som kalles Cygnus (Svanen).

Cygnus X-1 — et svart hull?

I 1960-årene begynte astronomene å interessere seg for et bestemt område i stjernebildet Cygnus. Ved hjelp av observatorier som gikk i bane utenfor jordens atmosfære, oppdaget de en kraftig røntgenstrålekilde i dette området, som har fått navnet Cygnus X-1.

Vitenskapsfolk har lenge visst at jo varmere en gjenstand er, desto mer energi avgir den i form av kortbølget elektromagnetisk stråling. Hvis du varmer opp jern i en ovn med svært høy temperatur, vil jernet først gløde rødt og deretter gult og hvitt etter hvert som det blir varmere. I en slik forstand ligner stjerner på jernstenger. Stjerner med forholdsvis lav temperatur, omkring 3000 K, har en rødlig farge, mens en gul stjerne, for eksempel solen, har en overflatetemperatur på nærmere 6000 K.a Det ville imidlertid ha vært nødvendig å varme opp stjernegasser til flere millioner kelvin for å frambringe den røntgenstrålingen som kommer fra Cygnus X-1. Det finnes ingen stjerner som har en slik overflatetemperatur.

I området Cygnus X-1 har astronomene funnet en stjerne med en overflatetemperatur på anslagsvis 3000 K — unektelig en svært høy temperatur, men ikke på langt nær høy nok til å forklare røntgenstrålingen. Stjernen har fått betegnelsen HDE226868, og den har trolig omkring 30 ganger så stor masse som solen og befinner seg 6000 lysår fra jorden. Denne superkjempen har en ledsager, og disse to kretser rundt hverandre i en kosmisk vals der hvert kretsløp tar 5,6 dager. Forskerne har beregnet at ledsageren bare befinner seg noen millioner kilometer fra HDE226868. Ifølge noen kilder har den omkring ti ganger så stor masse som solen. Men det er noe høyst merkelig med denne ledsageren — den er usynlig. Ingen vanlig stjerne på den størrelsen skulle være usynlig i en slik avstand fra jorden. Et objekt som har en så stor masse og tilsynelatende avgir røntgenstråling, men ikke synlig lys, er antagelig et svart hull, sier forskerne.

En reise til et svart hull

Forestill deg at det var mulig å reise til Cygnus X-1. Hvis vi antar at dette virkelig er et svart hull, kan det godt være at du ville få se noe som ligner på illustrasjonen på side 17. Den store stjernen er HDE226868. Mens denne stjernen har en diameter på flere millioner kilometer, har det svarte hullet muligens en diameter på omkring 60 kilometer. Den lille svarte prikken i sentrum av den glødende gassvirvelen er eventhorisonten, eller overflaten, til det svarte hullet. Dette er ikke en fast overflate, men noe som ligner mer på en skygge. Det er grensen for det området rundt det svarte hullet der gravitasjonen er så sterk at ikke engang lyset unnslipper. Mange forskere tror at det innenfor horisonten, i sentrum av det svarte hullet, finnes et punkt med null volum og uendelig tetthet, kjent som en singularitet, og at all materie i det svarte hullet har forsvunnet inn dit.

Det svarte hullet suger til seg den ledsagende stjernens ytre lag av gass. Denne gassen danner en glødende skive fordi den beveger seg i stadig raskere spiralbaner innover mot det svarte hullet og blir oppvarmet ved friksjon. Skiven av opphetet gass frambringer røntgenstråling like utenfor det svarte hullet, der gassen kommer opp i utrolige hastigheter på grunn av den intense gravitasjonen. Men så snart gassen faller inn i det svarte hullet, kan selvfølgelig ingen røntgenstråling — eller noe annet — unnslippe.

Cygnus X-1 er et imponerende syn, men kom ikke for nær! Ikke bare er røntgenstrålingen dødelig, men det samme er gravitasjonen. På jorden er det en ørliten forskjell i den gravitasjonskraften som virker på hodet ditt, og den som virker på føttene dine, når du står oppreist. Denne forskjellen frambringer en trekkraft som er så liten at den ikke kan merkes. Men i Cygnus X-1 er forskjellen 150 milliarder ganger større, slik at det dannes en kraft som faktisk ville komme til å strekke ut kroppen din, som om usynlige hender drog føttene dine i én retning og hodet ditt i en annen!

Cygnus A — et supermassivt svart hull?

Det finnes også et annet gåtefullt område i stjernebildet Cygnus. Det eneste synlige objektet der er en svært lyssvak og fjern galakse, men fra dette området kommer noen av de kraftigste radiobølgene på himmelen. Området kalles Cygnus A, og helt siden det ble oppdaget for over 50 år siden, har forskerne undret seg over det.

Det er ikke lett å forestille seg den størrelsen Cygnus A har. Mens Cygnus X-1 befinner seg innenfor vår galakse, noen få tusen lysår borte, regner man med at Cygnus A befinner seg flere hundre millioner lysår borte. Selv om avstanden mellom Cygnus X-1 og dets synlige ledsager bare er ett lysminutt, er avstanden mellom de langstrakte skyene som dannes av de to jetstrømmene av radiobølger i Cygnus A, flere hundre tusen lysår.b Noe i sentrum av Cygnus A har tydeligvis holdt på med å avfyre disse intense jetstrømmene av energi i motsatte retninger i flere hundre tusen eller til og med flere millioner år, som en slags kosmisk strålepistol. Detaljerte kart over radiostråling i sentrum av Cygnus A viser at strålepistolen er svært liten sammenlignet med jetstrømmene — den er mindre enn en lysmåned i utstrekning. Hvis den hadde vært ustø hele denne tiden, ville strålene ha vært krokete. Men de mystiske jetstrømmene er helt rette, som om strålepistolen som avfyrer dem, var blitt stabilisert av et enormt gyroskop.

Hva kunne stå bak dette? Professor Kip S. Thorne skriver: «Av de mange teoriene som var blitt lansert fram til begynnelsen av 1980-årene som en forklaring på den sentrale energikilden, var det bare én som kunne gjøre greie for et ypperlig gyroskop med lang varighet, en størrelse på under en lysmåned, og en evne til å frambringe kraftige jetstrømmer. Denne unike teorien dreide seg om et gigantisk, roterende svart hull.»

Andre mulige svarte hull

I 1994 foretok det nyreparerte romteleskopet Hubble undersøkelser av den «nærliggende» galaksen M87, som befinner seg anslagsvis 50 millioner lysår borte. Med sin oppdaterte optikk påviste Hubble at det i sentrum av M87 fantes en gassvirvel som beveget seg rundt et eller annet objekt med en hastighet på hele to millioner kilometer i timen. Hva kunne få gassen til å bevege seg med så stor fart? Beregninger viste at objektet innenfor virvelen måtte ha en masse som tilsvarer minst to milliarder soler. Men dette objektet er presset inn i et «lite» rom som er på størrelse med vårt solsystem. Det eneste som forskerne kan tenke seg ville passe til denne beskrivelsen, er et supermassivt svart hull.

Mulige svarte hull er nå blitt påvist i sentrum av en rekke nærliggende galakser, deriblant vår nærmeste nabo, Andromedagalaksen, som bare befinner seg omkring to millioner lysår borte. Men det er mulig at det finnes et enormt svart hull som er enda nærmere oss enn Andromeda! Nye observasjoner tyder på at det godt kan befinne seg et kjempemessig svart hull i sentrum av vår egen galakse, Melkeveisystemet. Et eller annet objekt i et lite område, med en anslått masse på 2,4 millioner ganger solens masse, får stjernene nær sentrum av vår galakse til å kretse rundt det med enorm hastighet. Fysikeren Thorne sier: «Bevismaterialet, som ble samlet gradvis inn i løpet av 1980-årene, tyder på at det ikke bare finnes slike hull i kjernen av de fleste kvasarer og radiogalakser, men også i kjernen av de fleste større, normale galakser (med bare svak radiostråling), for eksempel Melkeveisystemet og Andromeda.»

Har astronomene virkelig oppdaget svarte hull? Muligens. De har i hvert fall oppdaget noen svært merkelige objekter i stjernebildet Cygnus og andre steder, objekter som akkurat nå er lettest å forklare som svarte hull. Men det kan også være at nye data fører til at alminnelig godtatte teorier blir dratt i tvil.

For over 3500 år siden rettet Gud dette spørsmålet til Job: «Er du blitt kjent med himmelens forskrifter?» (Job 38: 33) Trass i imponerende framskritt på det vitenskapelige område er dette fremdeles et betimelig spørsmål. Det har jo vist seg at når menneskene tror at de forstår universet, blir det gjort nye, uventede observasjoner som kullkaster deres nøye uttenkte teorier. I mellomtiden kan vi betrakte stjernebildene med undring og glede oss over deres skjønnhet.

[Fotnoter]

[Ramme på sidene 16 og 17]

Hva kan tenkes å frambringe et svart hull?

DEN nåværende vitenskapelige forståelse går ut på at stjernene lyser fordi det foregår en uavlatelig kamp mellom gravitasjonskrefter og kjernekrefter. Hvis ikke gravitasjonen hadde presset sammen gassen dypt inni stjernen, kunne det ikke ha funnet sted noen kjernefusjon. Hvis det på den annen side ikke er noen kjernefusjon som motvirker gravitasjonen, kan det skje svært merkelige ting med en stjerne.

Forskerne tror at når stjerner på størrelse med vår sol slipper opp for kjernedrivstoffene hydrogen og helium, blir de presset sammen av gravitasjonen til de blir omtrent like store som jorden. De kalles da hvite dverger. En hvit dverg kan ha like stor masse som solen, men være en million ganger mindre.

Du kan tenke deg at vanlig materie hovedsakelig består av tomrom, der nesten all masse i hvert atom befinner seg i en liten kjerne som er omgitt av en mye større sky av elektroner. Men inni en hvit dverg sørger gravitasjonen for at elektronskyen blir presset sammen til en liten brøkdel av sitt opprinnelige volum, slik at stjernen krymper og får samme størrelse som en planet. Hos stjerner på størrelse med vår sol vil gravitasjonen og de kreftene som virker mellom elektronene, på dette punktet utligne hverandre, noe som hindrer ytterligere sammenpressing.

Men hva med stjerner som er tyngre enn solen og har større gravitasjon? Hos stjerner som har minst 1,4 ganger så stor masse som solen, er gravitasjonskraften så sterk at elektronskyen blir helt utslettet på grunn av sammenpressingen. Protonene og elektronene smelter da sammen og danner nøytroner. Nøytronene motstår ytterligere sammenpressing, forutsatt at gravitasjonen ikke er altfor sterk. I stedet for en hvit dverg på størrelse med en planet er resultatet en nøytronstjerne på størrelse med en liten asteroide. Nøytronstjerner består av den mest kompakte materien som er kjent i universet.

Men hva om gravitasjonen er enda sterkere? Når det gjelder stjerner som har omtrent tre ganger så stor masse som solen, tror forskerne at gravitasjonen er for sterk til at nøytronene kan motstå den. Fysikerne kjenner ikke til noen form for materie som kan motstå den samlede virkningen av all denne gravitasjonen. Det ser ut til at kulen av nøytroner i et slikt tilfelle ikke bare ville bli sammenpresset til en mindre kule, men til ingenting, til et punkt som kalles en singularitet, eller til et annet, foreløpig ubeskrevet teoretisk objekt. Stjernen ville tydeligvis forsvinne og bare etterlate seg sin gravitasjon og et svart hull der den tidligere hadde befunnet seg. Det svarte hullet ville danne en gravitasjonsskygge som trådte i stedet for den tidligere stjernen. Det ville være et område der gravitasjonen var så sterk at ingenting — ikke engang lyset — kunne unnslippe.

[Bilder på side 16]

Stjernebildet Cygnus innbefatter blant annet Nord-Amerikatåken (1) og Slørtåken (2). Cygnus X-1 (3) befinner seg et stykke nede på svanens hals

Cygnus (Svanen)

[Rettigheter]

Tony og Daphne Hallas/Astro Photo

Tony og Daphne Hallas/Astro Photo

[Bilder på side 17]

Cygnus X-1 ifølge teorien

Svarte hull kan påvises gjennom den virkningen de har på andre himmellegemer. Denne illustrasjonen viser hvordan gasser fra en stjerne blir sugd inn i et svart hull

En kunstners framstilling av et svart hull (innenfor det røde rektanglet). Det samme svarte hullet er forstørret nedenfor

[Bilderettigheter på side 14]

Einstein: U.S. National Archives photo