Svarthol gata alheim okkar 

Einstein trúði ekki á tilveru þeirra og Stephen Hawking eyddi drjúgum hluta af lífi sínu í rannsóknir á þeim. Í rétta öld hafa svarthol alheims sundrað og heillað stjarneðlisfræðinga með furðum sínum. Núna eru vísindamenn sammála um að þau er að finna alls staðar í alheiminum, en þau eru ennþá þrungin leyndarmálum.

BIRT: 07/08/2023

LESTÍMI:

18 mínútur

„Þvæla!“ Þannig voru viðbrögð enska stjarnfræðingsins og stjarneðlifræðingsins Arthurs Eddington þegar hann fékk fram árið 1935 nokkrar furðulegar niðurstöður um þyngdarkraftinn í stjörnum sem falla saman.

 

Eddington hafði um nokkurt skeið unnið með stjarnfræði og útreikninga á því hvað myndi gerast fyrir stjörnur af mismunandi stærð þegar eldsneyti þeirra þryti.

 

Við þetta nýtti hann sér nokkrar jöfnur frá almennu afstæðiskenningunni sem Albert Einstein hafði komið fram með 20 árum áður og Eddington komst að því að samanfall stjarna gæti í sumum tilvikum leitt af sér það sem við núna köllum svarthol.

 


Eddington ætti eiginlega að hafa hrópað „Eureka!“ því að útreikningar hans voru fullkomlega réttir. En þrátt fyrir að hann gæti ekki sjálfur sætt sig við niðurstöðurnar vöktu þær athygli margra annarra eðlisfræðinga.

Ég er búinn að finna út skýrt og greinilega hvers vegna sérstæður fyrirfinnast ekki í raunveruleikanum.
Albert Einstein
í vísindagrein árið 1939

Á næstu áratugum kom í ljós að hvorki afstæðiskenningin né hugmynd um svarthol í alheimi væru einungis stærðfræðileg leikfimi, heldur raunveruleiki.

 

Núna er vitað að svarthol skipta sköpum fyrir þau fyrirbæri sem að við getum séð í kringum okkur, hvort heldur er í okkar stjörnuþoku, Vetrarbrautinni, eða stjörnuþokum sem eru í margra milljarða ljósára fjarlægð úti í geimnum. Og það er áfram afstæðiskenningin sem er besti lykillinn að skilningi okkar á svartholinu.

 


Svarthol er fyrirbæri þar sem afar mikill massi er samansafnaður á svo litlu svæði að þyngdarkrafturinn verður óskiljanlega sterkur – svo sterkur að ekkert, ekki einu sinni ljósið, getur sloppið burt. Þess vegna eru þau nefnd svarthol.

 

Fyrsti eðlisfræðingurinn sem setti þetta hugtak fram var hinn bandaríski John Wheeler og það átti sér stað árið 1967. En hugmyndin um að þyngdarkafturinn gæti haldið aftur af ljósinu er mun eldri.

 

Við þurfum að fara allt aftur til áranna upp úr 1780, 150 árum fyrir upphrópun Eddingtons, til að finna fyrstu vísindamennina sem unnu með slíka hugmynd. Einn þeirra var John Michell.

 

Hann var, rétt eins og margir aðrir náttúrufræðingar þess tíma, menntaður í guðfræði og í sveit sinni Thornhill í Englandi sinnti hann bæði preststörfum og vísindalegum rannsóknum. 

Þyngdarkrafturinn sigrast á ljósi

John Michell skaut blindandi og hitti í mark

Upp úr 1780 þróaði Englendingurinn John Michell kenningu sína um „myrkar stjörnur“ sem væru svo þungar að ljós slyppi ekki frá þeim. Michell skorti þekkingu og kenningin var röng en hugmyndir hans líkjast mjög lýsingum á svartholi.

Einstein trúði ekki á eigin jöfnur

Með afstæðiskenningunni frá 1915 fann Einstein upp tímarúmið sem lýsir alheimi í fjórum víddum. Þung fyrirbæri sveigja tímarúmið og skapa þyngdarbrunn umhverfis sig. Í raun gætu svartholin verið óendanlega djúp og endað í svokallaðri sérstæðu, kjarnanum í svartholi. Einstein taldi þó að slíkt ætti ekki að geta átt sér stað í raunveruleikanum.

Prestur nærði hugmyndina um svarthol

John Michell var einn fjölmargra stærfræðinga sem voru innblásnir af afrekum Isaacs Newton 100 árum áður. Þá hafði Newton útskýrt með þyngdarlögmáli að þeir kraftar sem halda plánetum á braut um Sólu væru sömu kraftar og fengu hans víðfræga epli til að falla til Jarðar.


Á tímum Michells var algengt að líta á ljós sem öreindir sem hefðu massa eins og aðrar öreindir og það varð til þess að hann ígrundaði hvað myndi eiginlega gerast fyrir ljósið þegar það yrði sent úr frá stjörnu.

 

Ef stjarnan væri nægilega stór myndi þyngdarkrafturinn jú toga í ljóseindirnar og bremsa þær af. Og ef stjarnan væri langtum stærri myndi ljósið alls ekki sleppa burt. Slíkt fyrirbæri nefndi Michell „myrka stjörnu“ og hann taldi að það hlytu að fyrirfinnast fjölmargar risastórar stjörnur sem við gætum bara ekki séð af því að ljósið gæti ekki bara yfirgefið þær.

 

Hugmyndin var um margt ágæt og líkist hugmyndum nútímavísindamanna um svarthol, þrátt fyrir að forsendur hans hafi ekki verið réttar. Það var einkum á þremur sviðum sem hann skorti þekkingu.

 

Fyrir það fyrsta hélt hann að ljós hefði massa sem þyngdarkrafturinn gæti virkað á – núna vitum við að ljós hefur engan  massa.

 

Í öðru lagi vissi Michell ekki að stjörnur af þeirri stærð sem hann ímyndaði sér eru of óstöðugar til að geta verið til – núna vitum við að þær munu falla saman og enda sem svarthol.

 

Og í þriðja lagi skorti Michell dýpri skilning á því hvernig þyngdarkrafturinn virkar – núna getum við þakkað almennu afstæðiskenningu Einsteins fyrir gagngerar hugmyndir um hvernig massi, rúm, tími og ljós tengjast.

 

⇑ Vísindamenn hafa kortlagt gerð svarthola

Stjarneðlisfræðingar telja nú að öll svarthol séu eins uppbyggð. Þau geta haft mismunandi massa og spuni þeirra getur verið  breytilegur en annars samanstanda þau að öllu leyti af sérstæðu, sjóndeild, orkuhvolfi og vaxtarskífu.

1
Sérstæða
Í miðju svartholsins er þyngdarkrafturinn óendanlega stór
2
Sjóndeild
Ekkert, hvorki efni né ljós, sleppur út frá svæðinu bakvið þessi mörk.
3
Orkuhvolf
Hér snýst sjálft tímarúmið. Ekkert getur verið kyrrt hér.
4
Vaxtarskífa
Hér hringar efni um í sífellt minni brautum

Einstein setti alheim á nýja jöfnu

Kenning Einsteins inniheldur nokkrar svokallaðar sviðsjöfnur sem lýsa geimnum með allt öðrum hætti en hvernig við upplifum hann dags daglega. Við skynjum heiminn í kringum okkur í þremur víddum en í alheimi Einsteins er tíminn innbyggður sem fjórða vídd þannig að við fáum nú fjórvíða stærð sem nefnist tímarúm.

 

Það er ákaflega örðugt að ímynda sér fjórvítt tímarúm og því er tímarúmið oft skýrt  með því að sjóða víddirnar fjórar niður í tvær þannig að sjónrænt fáum við út tvívíðan flöt eða svið.

 

Sérhvert fyrirbæri sem hefur massa verkar á tímarúmið þannig að það aflagast. Þessu má líkja við hvernig fyrirbæri með massa sem hvílir á gúmmídúk myndar dæld í hann. Í stuttu máli eru þetta tengslin milli massa og tímarúms:

 

  • Massinn verkar á tímarúmið og skipar því hvernig það eigi að sveigjast.

 

  • Tímarúmið verkar á massann og skipar honum hvernig hann eigi að hreyfast.

 

Ef við tökum okkar eigin hnött sem dæmi getum við séð fyrir okkur að massi hans skapi dæld í tímarúminu og það er þessi dæld sem skýrir þyngdarsviðið.

 

Þegar máninn fer um Jörðina á braut sinni er það vegna þess að hann „rúllar“ út í jaðri dældarinnar. Því þyngra sem fyrirbærið er, þess dýpri verður dældin umhverfis það.

 


Í sviðsjöfnum Einsteins geta eðlisfræðingar sett mismunandi stærðir inn og kannað hvaða áhrif þær hafa á tímarúmið. Ef þeir láta sem dæmi lítið fyrirbæri hafa afar mikinn massa verður sveigja tímarúmsins svo mikil að fyrirbæri skapar djúpan brunn umhverfis sig – svonefndan þyngdarbrunn.

 

Ef þetta afar þunga fyrirbæri er ennþá minna, svo það er nánast ekki með neitt rúmtak, gerist nokkuð ennþá furðulegra. Þá verður þyngdarbrunnurinn svo djúpur að þyngdarlögmál Newtons hætta að virka.

 

Miðjan í þyngdarbrunni, sem er óendanlega djúpur, nefnist sérstæða og það er einmitt það ástand sem getur orðið til í svartholi.

Svarthol

Öreind sem kemst of nærri svartholi sogast inn á bakvið svonefnda sjóndeild. Þegar það gerist glötum við öllu sambandi við hana. Við getum hvorki séð hana eða öðlast með öðrum hætti vitneskju um hvað gerist fyrir öreindina.

Einstein efaðist um kenningu sína

Að slíkt geti yfirhöfuð gerst datt þýska eðlisfræðingnum Karl Schwarzschild fyrstum í hug. Þegar árið 1915 – sama ár og Einstein birti almennu afstæðiskenningu sína – sökkti Schwarzschild sér í sviðsjöfnurnar og fann niðurstöður sem leiddu til sérstæðu.

 

Um áratugi var þó litið á niðurstöður Schwarzschilds sem stærðfræðilegar furður sem hefðu í raun ekkert með raunveruleikann að gera. Jafnvel Einstein sjálfur trúði ekki að slík fyrirbæri gætu verið til í raun og veru. Svo seint sem árið 1939 birti hann vísindalega grein þar sem hann með fjölmörgum stærðfræðilegum röksemdum komst að þessari niðurstöðu:


„Niðurstaðan af þessari rannsókn er skýr skilningur á því hvers vegna Schwarzschild – sérstæður geta ekki verið til í raunveruleikanum.“


Einstein var þannig fullur efasemda gagnvart fylgismönnum eigin kenningar. Og það er kannski skiljanlegt, því að sérstæðunni fylgir röð næstum ótrúlegra afleiðinga.

Hlutir geta vel komist út úr svartholi – bæði frá yfirborði þess og mögulega inn í annan alheim.
Stephen Hawking í fyrirlestri árið 2015

Í sérstæðunni er þyngdarkrafturinn svo sterkur að ekkert getur sloppið frá honum, ekki einu sinni ljósið. Þrátt fyrir að ljós hafi engan massa verkar þyngdarsviðið engu að síður á það. Ljósið fylgir sveigjunni í tímarúminu og þess vegna getur það fangast í þyngdarbrunni, rétt eins og efni sem kemur of nærri honum.


Með sama hætti og eldflaug þarf að ná vissum hraða til að losna undan þyngdarsviði Jarðar (11.000 m/sek) þarf ljós og efnisagnir að hafa hraða til þess að geta farið burt frá þyngdarbrunni umhverfis svarthol.

 

Eðlisfræðingar nefna þetta lausnarhraða, en það eru þó efri mörk fyrir því hversu mikill hraði getur yfirhöfuð verið í okkar alheimi. Ekkert getur ferðast hraðar en á ljóshraða, sem er 299.792.458 m/sek. Ef eitthvað fyrirbæri er svo nærri sérstöðunni að lausnarhraði þess er meiri en þessi hraðamörk gæti viðkomandi fyrirbæri aldrei sloppið burt.

 

Umhverfis svarthol er því að finna nákvæmlega afmarkað hvolf hvaðan sjálft ljósið getur ekki sloppið burt.

 

Þessi mörk hvolfsins nefnast sjóndeild og allt það sem gerist innan við þessi mörk getum við ekki séð. Hins vegar er ýmislegt áhugavert sem gerist rétt utan við sjóndeildina. 

 

Massaþéttnin fær tímann til að standa í stað

Ef við ímyndum okkur að við sendum eldflaug inn að svartholi gerist nokkuð furðulegt. Við munum sjá eldflaugina nálgast svartholið hraðar og hraðar allt þar til að hún nær sjóndeildinni.

 

Þegar það gerist missum við allt samband við hana og getum ekki séð hvað hendir eldflaugina. Ástæðan er sú að ljóseindirnar geta ekki sloppið út í gegnum sjóndeildina og því eru allar upplýsingar um örlög eldflaugarinnar óaðgengilegar okkur.


En það er ekki einungis ljósið sem hagar sér furðulega.

 

Tíminn gerir það líka. Ef klukka væri um borð í eldflauginni myndi hún ganga hægar og hægar eftir því sem eldflaugin nálgaðist svartholið. Þetta á við óháð því hvort um er að ræða mekaníska klukku, stafræna eða jafnvel kjarnorkuklukku.

 

Eðlisfræðingar nefna þetta fyrirbæri tímalengingu og hún á sér stað þar sem massi í svartholinu bjagar ekki einungis rúmið heldur einnig tímarúmið og það felur sér að það teygist bókstaflega á tímanum. Inni í svartholinu stöðvast tíminn algjörlega og því má líta á svarthol sem gat í tímarúminu.


Þegar eldflaugin heldur síðan á bakvið sjóndeildina og sérstæðan gleypir hana mun massi hennar bætast við massann í svartholinu, sem verður aðeins þyngra fyrir vikið.

 

Aukinn massi þýðir einnig að sjóndeildin verður aðeins stærri og það er einmitt þannig sem svarthol vaxa. Þess meira sem þau gleypa, þess þyngri verða þau og því stærra verður það svæði í geimnum sem við getum ekkert vitað um.

Þau litlu eru sköpuð af dauðum stjörnum

Svarthol með massa frá fimm til 100 sólmassa skapast af stjörnum sem hafa brunnið út og hrunið saman. Þau eru að finna hvarvetna í stjörnuþokum, einnig í Vetrarbraut okkar.

Þau stóru fæðast í nýjum stjörnuþokum

Svarthol sem hefur milljónir eða kannski milljarða meiri massa en Sólin okkar kallast ofurþung svarthol. Þau verða til ásamt stjörnuþokunni en þau eru í miðju hennar.

Þau litlu eru sköpuð af dauðum stjörnum

Svarthol með massa frá fimm til 100 sólmassa skapast af stjörnum sem hafa brunnið út og hrunið saman. Þau eru að finna hvarvetna í stjörnuþokum, einnig í Vetrarbraut okkar.

Þau stóru fæðast í nýjum stjörnuþokum

Svarthol sem hefur milljónir eða kannski milljarða meiri massa en Sólin okkar kallast ofurþung svarthol. Þau verða til ásamt stjörnuþokunni en þau eru í miðju hennar.

Allt eru þetta beinar afleiðingar af almennu afstæðiskenningu Einsteins. Beinhörð dæmi myndu þó vera aðeins frábrugðnari í raunveruleikanum. Þar eru nefnilega einnig aðrar aðstæður sem skipta máli nærri sjóndeildinni.


Ein sú mikilvægasta er snúningur svartholsins. Ef að svarthol snýst skiptir það miklu fyrir hvað gerist á svæðinu rétt utan við sjóndeildina.

 

Árið 1963 tókst nýsjálenska stærðfræðingnum Roy Kerr að finna nákvæma lausn á sviðsjöfnum Einsteins fyrir svarthol með snúning og við höfum því ágæta mynd af samsetningu slíks svarthols.

 


Stjarneðlisfræðingar telja nú að öll svarthol hafi snúning og það tengist því hvernig þau myndast. Svarthol geta einungis orðið til við það að mikill massi hrynur saman undan eigin þyngdarkrafti. Það getur t.d. gerst þegar stór stjarna hefur notað allt eldsneytið sitt.

 

Svo fremi stjarnan haldi samrunaferlinu sínu gangandi skapar hún í iðrum sínum geislum sem beinist út á við og virkar gegn þyngdarkraftinum. En um leið og slökknar á henni ræður þyngdarkrafturinn ríkjum og þrýstir efninu í stjörnunni saman.

 

Því meiri massa sem stjarnan hefur, þess sterkari er þyngdarkrafturinn og því þéttara verður efnið. Þegar sólin okkar brennur út eftir um 5 milljarði ára munu þyngdarkraftarnir slá frumeindir í sundur þannig að rafeindir yfirgefa kjarnanna.

 

Efnið verður þá svo þétt að Sólin mun enda sem svokallaður hvítur dvergur. Hún er nefnilega ekki nægilega þung til að enda sem svarthol.

 

Stjarna sem vegur langtum meira en Sólin okkar verður ennþá þéttari þegar hún brennur út. Þá er þyngdarkrafturinn svo öflugur að rafeindir og atómkjarnar renna saman og verða að nifteindum. Stjarnan breytist þá í nifteindastjörnu.

 

Ennþá stærri stjörnur, sem hafa meira en fimmfaldan massa Sólar, geta orðið langtum þéttari. Þá þola sjálfar nifteindirnar ekki þrýstinginn og fyrir vikið verður til svarthol – nákvæmlega eins og Eddington hafði, sér til mikillar furðu, reiknað út árið 1935.

 

Tímarúmið snýst eins og skautadansari 

Samanfallin stjarnan er með innbyggðan snúning sem er upprunninn frá þeim tíma þegar stjarnan sjálf myndaðist úr gasskýi sem snerist. Og þrátt fyrir að efnið þrýstist saman varðveitist snúningurinn og verður raunar hraðari.

 

Það stafar af þeim sömu eðlisfræðilögmálum sem verka á skautadansara sem snýst í hring. Á meðan hann heldur höndunum að síðunum er snúningurinn hægur, en um leið og handleggirnir eru teygðir út frá líkamanum hraðast snúningurinn.
Þetta á einnig við um svarthol.

 

Nærri sjóndeildinni er spuninn svo ægilegur að allar öreindir, jafnvel ljóseindir, þvingast með í snúninginn. Hér getur ekkert staðið kyrrt því að það er í raun sjálft tímarúmið sem snýst umhverfis svartholið.

 

Við getum ímyndað okkur að „dúkur“ tímarúmsins inni í þyngdarbrunninum vindist með um sérstæðuna. Þetta svæði nefnist orkuhvolf og skiptir sköpum fyrir þau fyrirbæri sem við sjáum birtast umhverfis svarthol.

 

Ef við sendum eitthvað inn af svartholi sem snýst, t.d. geimfara, myndum við greina sviðsmynd sem er öllu dramatískari en snúningur skautadansarans.

Þyngdaráhrifin ágerast margfaldlega fyrir hvern metra sem geimfarinn nálgast svartholið. Beinist fætur hans að því, verður togið í þá langtum meira en togið í höfuð hans. Fyrst verða fæturnir, því næst líkaminn og að endanum höfuðið togað út í eitthvað sem líkja mætti við spaghettí.

 

Jafnframt verður snúningurinn í orkuhvolfinu hraðari og hraðari eftir því sem hann nálgast sjóndeildina, þannig að líkaminn togast um í spíral og snýst um svartholið eins og spaghettí utan um gaffal. Að lokum gleypir svartholið spaghettíið í sig, en á þeim tíma er geimfari okkar miskunnarlega löngu hættur að finna fyrir nokkrum sköpuðum hlut.

 


En sem betur fer er þetta bara upphugsað dæmi. Í þeim raunveruleika sem við getum greint umhverfis svarthol er það efni, frumeindir og grunnöreindir að verki. Það er ekki jafn óhugnanlegt en alveg jafn stórbrotið.

 

Allt það efni sem nálgast svarthol þvingast inn í snúninginn svo það myndast skífulaga formgerð umhverfis svartholið.

 

Kalla má þetta vaxtarskífu. Því nær sem efnið kemst svartholinu, þess hraðar hreyfist það um í þessari skífu.

 

Snúningurinn umbreytir efni í orku

Það er feiknarlegt magn hreyfiorku að verki í vaxtarskífunni og það hefur fengið stjarneðlisfræðinga til þess að íhuga hvort að mögulega væri hægt að draga eitthvað af orkunni út og með þeim hætti nýta svarthol sem eins konar mótor.

 

Eðlisfræðingurinn Roger Penrose kom fyrstur fram með þessa hugmynd árið 1971. Hugmynd hans fólst í að ef maður gæti kastað einhverju efnismagni að snúandi svartholi þannig að sumt af því myndi kastast til baka. þá myndi það hafa til að bera langtum meiri orku en raunin var í upphafi.

 

Orkan myndi stafa frá orkuhvolfinu rétt utan við sjóndeildina og ferlið myndi þannig draga lítillega úr snúningi svartholsins. Fræðilega mætti þannig sækja feiknarlegt magn orku frá svartholi.

 


Hugmynd Penrose er upphugsað dæmi sem er ekki ætlað á nokkurn máta að leysa orkuþörf nútímans, en hefur samt verið öðrum stjarneðlisfræðingum innblástur og fengið þá til að gaumgæfa nánar aflfræðina í því efni sem þeytist umhverfis vaxtarskífuna nærri svartholi.

 


Það efni sem er næst svartholinu öðlast meiri hraða en efnið á öllu stærri brautum. Munurinn á hraða felur í sér að það myndast núningsmótstaða sem lækkar hraðann lítillega á innra efninu, en eykur hann á efninu sem liggur utar. Jafnframt myndast varmaorka í þessu ferli sem sendist út sem geislun.

Svarthol

Í tómarúminu geta svokallaðar sýndaröreindir skyndilega sprottið fram og eyða síðan hver annarri samstundis. En nái svarthol að gleypa eina þeirra setur það strik í reikninginn. Reikningurinn gengur einungis upp hafi svartholið orðið léttara. Umfram öreindina sjáum við svokallaða Hawking – geislun frá svartholinu.

Ef spuni svartholsins er langtum meiri getur efnið innar í orkuhvolfinu orðið svo heitt að það sendir frá sér röntgengeislun sem svarar til hitastigs upp á tíu milljón gráður. Við vitum ekki um nokkur önnur ferli í alheimi sem umbreyta massa í orku með jafn skilvirkum hætti.

 


Umbreyting á massa í orku gerist eftir hinni víðfrægu jöfnu Einsteins, E=mc
2, þar sem E stendur fyrir orku, m fyrir massa og c fyrir ljóshraða og útreikningar sýna í raun að allt að 42% efnis nærri svartholi geti umbreyst með þessum hætti í orku.

 

Ferli þetta er jafnframt drifkraftur að baki stórkostlegustu fyrirbæra sem við getum greint í alheimi: dulstirnum. Dulstirni eru öflugustu viðvarandi orkuuppsprettur sem við þekkjum til. Þau senda frá sér öfluga geislun þvert  yfir allt rafsegulrófið, þ.e.a.s. allt frá löngum bylgjum útvarpsgeislunar yfir í sýnilegt ljós til röntgengeislunar með afar stuttar bylgjur.

 

Dulstirnin myndast af stórum svartholum sem umbreyta feiknarlegu magni efnis í miðju stjörnuþoka fjarri Vetrarbraut okkar.

 


Stjarnfræðingar hafa á síðustu áratugum öðlast betri möguleika á að rannsaka formgerðir umhverfis dulstirni þökk sé stórum útvarpssjónaukum hér á Jörðu og gervihnöttum eins og Chandra, sem mæla röntgenbylgjur.

 

Frá svæðinu afar nærri svartholi dulstirna, skjótast út tveir öflugir orkustraumar sem samanstanda af orkuríku rafgasi, þ.e.a.s. hlöðnum öreindum sem eru minni en frumeindir. Þær geta haft hraða nærri ljóshraða og draga þúsundir ljósára út í geim.

 

Straumarnir tveir skjótast út frá innsta kanti vaxtarskífunnar og það gerist hornrétt á skífuna hjá báðum orkustraumunum.
Þetta er sams konar gerð og sú sem stjarnfræðingar geta greint hjá svonefndum míkródulstirnum sem finnast mun nær okkur, nefnilega hér og þar í okkar stjörnuþoku.
Míkródulstirni eru einnig knúin af svartholum en eru langtum minni.

 

Svarthol í míkródulstirni er með massa sem samsvarar handfylli sólmassa og hafa svartholin að jafnaði skapast af stjörnu sem hefur fallið saman. Til samanburðar getur „ekta“ dulstirni verið með svarthol með massa sem er mörg hundruð milljón sinnum stærri.

Uppgötvanir standa í röð

Þrátt fyrir að þeir geti ekki séð svarthol með beinum hætti uppgötva stjarnfræðingar sífellt eitthvað nýtt um þessi dularfullu fyrirbæri.

 

– 2019

Stjörnufræðingar taka fyrstu myndina af svartholi. Myndin sýnir risasvartholið í miðju hinnar gríðarstóru sporöskjulaga vetrarbrautar Messier 87 (M87) í 53 milljón ljósára fjarlægð frá jörðinni.

– 2018

Stjarnfræðingar greina í fyrsta sinn ropa frá svartholi – þ.e.a.s. skammvinnan en öflugan útblástur af gasi frá innsta hluta vaxtarskífunnar.

– 2017

Elsta svarthol til þessa finnst í dulstirni sem er í 13 milljarða ljósára fjarlægð frá okkur.

– 2016

Stjarnfræðingar uppgötva ofurþungt svarthol með 21 milljarða sólmassa. Það er nýtt met.

– 2015

Í fyrsta sinn tekst að mæla svokallaðar þyngdarbylgjur sem afleiðingu þess að tvö svarthol runnu saman – þetta gerist í 100 ára ártíð almennu afstæðiskenningar Einsteins, sem sagði einmitt fyrir um þyngdarbylgjurnar.

– 2014

Vísindamenn finna sannanir um að öflugir orkustraumar svarthols skapist vegna snúnings þess.

Svarthol éta eins og svín

Rannsóknir á dulstirnum og smádulstirnum breyta viðtekinni mynd af svartholum sem fyrirbærum sem soga allt til sín. Stjarneðlisfræðingar telja núna að það sé einungis brot af því efni sem dregst inn í svarthol sem endar með að vera gleypt.

 

Sumir telja það vera um tíunda hluta, aðrir að það sé öllu meiri fjöldi og einnig að það sé breytilegt milli svarthola.

 

Það ríkir þó samþykki um að mikill hluti efnisins nái ekki að fara inn fyrir sjóndeildina heldur slöngvist burt frá vaxtarskífunni eða spýtist út sem rafgas í öflugum orkustraumum. Og því má segja að að svarthol séu bæði gráðug og líkast til óseðjandi.

 


Svarthol getur vissulega verið stórt án þess að það endi sem dulstirni. Það á t.d. við um svartholið sem finnst í miðju Vetrarbrautarinnar. Með því að rannsaka sporbrautir nokkurra stjarna sem liggja tiltölulega nærri miðju Vetrarbrautarinnar má reikna út hve mikill massi er samansafnaður í svartholinu.

 

Reikningur þessi krefst þess að menn þekki svonefnda litrófsflokka stjarnanna og þannig stærð þeirra. Viti menn jafnframt stærð brauta þeirra og brautartíma er tiltölulega einfalt að ná fram niðurstöðu. Óháðir hópar vísindamanna hafa reiknað þetta mörgum sinnum út, þannig að núna ríkir nokkur vissa um að svartholið í miðju Vetrarbrautarinnar vegur litlu meira en fjórum milljón sinnum meira en Sólin.

 


Svartholið í miðju Vetrarbrautar, og þau svarthol sem við sjáum sem dulstirni í miðju fjarlægra stjörnuþoka, hafa ekki skapast af stjörnum sem hafa fallið saman. Stjarneðlisfræðingar telja að hin svonefndu ofurþungu svarthol hafi myndast samhliða því að stjörnuþokurnar umhverfis þau hafi tekið á sig form.

 

Þetta þýðir að svarthol er ekki eingöngu stórkostleg fyrirbæri á því kosmíska tímaskeiði sem við upplifum núna, heldur að þau hafi verið drífandi kraftur að baki þróun þess alheims sem við þekkjum.

 

Eðlisfræðingar sakna glataðra upplýsinga

Það er mikill munur á því hversu virk svarthol eru í miðju stjörnuþoka. Svartholið í miðju Vetrarbrautarinnar er tiltölulega hæglátt og það dregur að líkindum „einungis“ magn efnis til sín sem svarar til um 300 Jarða á ári.

 

Hvað gerist með þann hluta efnisins sem svartholið gleypir er ekki vitað því ekki einu sinni ljós getur sloppið út – og ljós ber að jafnaði allar upplýsingar. Við getum því heldur ekki vitað nokkuð um það efni sem svarthol eru upprunalega sköpuð úr.

 

Það eina sem einkennir svarthol er massi þess og spuni.


Bandaríski eðlisfræðingurinn John Wheeler hefur lýst þessu þannig: „Svarthol er ekki með neitt hár“. Að baki þessu liggur sú athugun að þegar við viljum einkenna annan mann getur hárið eitt og sér sagt ýmislegt um viðkomandi.

 

Litur og lögun getur sagt sitthvað um aldur og þjóðerni, klippingin annað um kyn og menningu o.s.frv. En svarthol halda öllum upplýsingum um uppruna sinn, innihald og sögu algjörlega leyndum.

Svarthol eru ekki með neitt hár. Þetta sagði eðlisfræðingurinn John Wheeler um þær aðstæður að öll svarthol líkjast hvert öðru. Það er enginn munur á þeim fyrir utan massa þeirra og spuna.

Það er einmitt þetta upplýsingatap í svartholum sem hefur valdið eðlisfræðingum heilabrotum í marga áratugi. Almenna afstaðan hefur verið sú að á því augnabliki sem efni er gleypt af svartholi hafa allar upplýsingar um það glatast okkur að eilífu. Og þó. Ein kenning sem breski eðlisfræðingurinn Stephen Hawking setti fram hefur kannski opnað smá rifu.

 


Að baki henni er fyribæri sem leiðir af óvissulögmáli Heisenbergs. Það felur í sér að jafnvel í tómarúmi, í algjöru lofttæmi, geta birst öreindir úr engu. Segja má að orka sé tekin „að láni“ til að skapa öreind og samsvarandi andöreind.

 

Augnabliki síðar eyða þær hvor annarri þannig að orkulánið er greitt til baka. Þessi virkni á sér sífellt stað og við getum meira að segja mælt hana.

 

En hvað gerist þegar slíkt par sýndaröreinda skapast rétt við sjóndeild svarthols? Og ef önnur eindin er gleypt af svartholinu en hin sleppur burt áður en þær ná að eyða hvor annarri? Þá hafa komið fram aðstæður þar sem ekki er hægt að greiða orkulánið til baka.

 

Svæðið fyrir utan svartholið er nú orðið einni öreind ríkara og þannig hefur bæst við orka við það. Svo til þess að reikningsskilin geti gengið upp hlýtur sú öreind sem var gleypt að hafa tilfært svartholinu samsvarandi neikvæða orku. Og þar sem massi og orka eru tengd, eins og við þekkjum frá jöfnunni E = mc2, er niðurstaðan sú að svartholið hefur fengið neikvæðan massa og ætti því að hafa minnkað.

 


Þegar við horfum á svarthol úr mikilli fjarlægð munum við greina að svartholið sendir með þessum hætti öreindir frá sér og er því ekki strangt til tekið algjörlega svart. Öreindirnar mynda það sem nefnist Hawking – geislun.

 


Frá árinu 1974 þegar Stephen Hawking setti fram kenningu sína hafa aðrir stjarneðlisfræðingar velt fyrir sér hvort Hawking – geislun geti kannski innihaldið upplýsingar um innri gerð svarthols og að við getum mögulega endurskapað smáatriði um allt það efni sem svartholið hefur gleypt.

 


Þessar vangaveltur leiddu af sér frægt veðmál. Bandaríkjamaðurinn John Preskill taldi að Hawking – geislun gæti vissulega innihaldið upplýsingar en Hawking sjálfur taldi það ógerlegt. Árið 2004 var Hawking orðin sannfærður um að Preskill hefði rétt fyrir sér, þannig að hann játaði ósigur sinn og afhenti Preskill vinninginn: Alfræðirit um hafnarbolta.

 


Ágreiningur þessi er þó ekki til lyktar leiddur og sér ekki fyrir endann á honum. Enn hefur ekki tekist að mæla Hawking – geislun frá svartholi og af þeirri ástæðu einni saman er ekki hægt að kveða upp úr um hvort hún innihaldi einhverjar upplýsingar.
Fyrirfinnist Hawking – geislun opnar það hins vegar ýmsa möguleika. Hún myndi nefnilega fela í sér að svarthol geti gufað upp og horfið á endanum.

 

Stórt svarthol sem fær ekkert lengur efni utan frá mun með Hawking – geislun smám saman missa massa og minnka og léttast og enda líf sitt með hljóðlátum smelli. Samkvæmt kenningu Hawkings mun það ferli gerast hraðar hjá litlum svartholum heldur en stórum.

 


Hugmyndir Hawkings eru gott dæmi um hvaða áskoranir kennileg eðlisfræði þarf að kljást við. Fræðilegir möguleikar og stærðfræðilegir ná oft langtum lengra en hægt er að prófa með tilraununum og athugum.

 

Eðlisfræðikenning getur vissulega verið afar heillandi, en reynist síðar vera alröng þar sem að hún byggði á röngum grunni. Á hinn bóginn getur kenning sem virkar framandi og stríðir gegn öllu innsæi reynst vera hárrétt.

 


Almenna afstæðiskenning Einsteins hefur nú um eina öld sýnt styrk sinn hvað eftir annað. Ekki síst með því að segja fyrir um tilvist svarthola – og það þrátt fyrir að Einstein hafi ekki sjálfur trúað því að þau fyrirfyndust í raunveruleikanum.

Svarthol eru leiksvæði eðlisfræðinnar

Fræðilega getur svarthol (1) verið tengt svokölluðu hvítholi (2), á allt öðrum stað í alheimi. Tengingin kallast ormagöng (3) og opnar möguleika á að stytta sér leið í gegnum bæði tíma og rúm.

Afstæðiskenningin þanin til hins ítrasta

Jöfnurnar í kenningu Einsteins eru afar opnar og veita möguleika sem getur verið erfitt að sætta sig við.

 

Sem dæmi komst Einstein ásamt félaga sínum Nathan Rosen þegar upp úr 1930 að því að tímarúmið gæti fræðilega svignað svo mikið að tvö svæði sem alla jafna eru afar fjarri hvort öðru geta tengst í gegnum svonefnd ormagöng.

 

Hugmynd þessi hefur blásið mörgum vísindaskáldasagnahöfundinum anda í brjóst þar sem hetjur þeirra þjóta yfir óravíddir á örskotsstundu og ormagöng hafa þannig verið uppspretta hugmyndaríkra ritverka.


Ef ormagöng eru í raun og veru til og geta haldist stöðug yfir lengri tíma, munu þau hafa nokkra afar furðulega eiginleika. Ekki nóg með að göngin veiti möguleika á kosmískum skammleiðum í gegnum geiminn, heldur leyfa ormagöngin okkur einnig að ferðast aftur í tíma.

 

Við gætum ferðast um í nokkrum lokuðum tímahringjum þar sem framtíðin er einnig fortíðin. Stærðfræðingurinn Kurt Gödel lýsti árið 1949 alheimi sem inniheldur nákvæmlega slíka tímahringi sem keyra hvað eftir annað sömu atburði í endalausri hringrás.

 

Í lokuðum tímahring yrði einnig mögulegt að drepa afa og ömmur áður en þau eignuðust foreldra og með þessum hætti innihalda ormagöng margvíslegar þversagnir sem tilheyra tímarferðalögum.

 


Það er ekkert í afstæðiskenningunni sem kemur í veg fyrir að ormagöng geti verið til, en það þýðir samt ekki að þau fyrirfinnist í okkar heimi.
Kannski eru til einhver óþekkt náttúrulögmál sem einfaldlega leyfa ekki tilvist þeirra.

 

Stephen Hawking taldi að sú væri raunin og hefur nefnt það „getgátu um varðveislu tímaraðarinnar“. Það er dæmigert fyrir Hawking og kímnigáfu hans að hann nefni þetta reglu sem gerir alheim að öruggum stað fyrir sagnfræðinga.

Afstæðiskenningin opnar möguleika á að í tengslum við svarthol kunni að finnast lokaðir tímahringir þar sem fortíðin er jafnframt framtíðin. Í lokuðum tímahring munt þú upplifa hið sama hvað eftir annað um alla eilífð.

Þar með er ekki sagt að Hawking hafi jafnan vísað á bug framandi möguleikum í alheimi – og alls ekki þegar það kemur að því að ímynda sér hvað eigi sér stað í svartholinu. Eins og hann sagði eitt sinn í fyrirlestri árið 2015:

 

„Svarthol eru ekki jafn svört og oft er sagt. Þau eru ekki eilíf fangelsi eins og við ætluðum eitt sinn. Hlutir geta vissulega komist út úr svartholi – bæði af yfirborði þess og mögulega inn í annan alheim. Þannig að ef þú lendir í þeirri stöðu að vera í svartholi ekki gefa upp alla von. Það er til útleið.“


Það sama á vonandi einnig við um stjarneðlisfræðinga sem leitast við að skilja innsta eðli svarthola.

 

Núna verðum við að viðurkenna að svarthol gata ekki bara alheim, heldur einnig þekkingu okkar um hann. Afstæðiskenning Einstein er þanin til hins ítrasta þegar fræðimenn leitast við að lýsa hvað eigi sér stað í sérstæðunni að baki sjóndeildinni.

 


Svarthol standa jafnframt í senn fyrir það allra stærsta og það allra minnsta sem við getum ímyndað okkur: Óskiljanlega sterkur þyngdarkraftur samansafnaður í hverfandi litlu rými. Það er einmitt hér í sérstæðunni sem afstæðiskenningin á stefnumót við skammtafræðina – þessar tvær voldugu eðlisfræðikenningar sem ekki hefur enn tekist að sanna.

 

Efst á óskalista stjarneðlisfræðinga er sameinuð kenning um skammtaþyngdarkraft sem getur tengt hvort tveggja. Þar til sú ósk verður uppfyllt munu svarthol vera áfram ein helsta ráðgáta alheims.

BIRT: 07/08/2023

HÖFUNDUR: Ritstjórn

HÖFUNDARÉTTUR MYNDA: Shutterstock,© Giphy,

vinsælustu greinarnar

Lifandi vísindi

Lyf

Lifandi saga

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Innskráning

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Viltu lesa greinina?

Fáðu aðgang að visindi.is

Ókeypis í 2 vikur!

Eftir það kostar eingöngu 1.390 kr. á mánuði og enginn uppsagnarfrestur.

Innifalið er aðgangur að öllum greinum á vefnum ásamt rafræna útgáfu af nýjustu tölublöðunum.

  • Fullur aðgangur að visindi.is
  • Frábærar myndir og myndbönd
  • Aðgengilegt í öllum snjalltækjum
  • Fullur aðgangur að gríðarlegu magni eldri greina
  • Nýjustu tölublöðin í rafrænu formi

Núverandi áskrifendur að tímaritinu fá að sjálfsögðu ókeypis aðgang að vefnum og þurfa bara að virkja aðgang sinn hér.

Ef þú ert þegar áskrifandi að visindi.is