HistoriaBegreppet svarta hål går tvåhundra år tillbaka i tiden medan beteckningen svarta hål infördes först 1967 av den amerikanske fysikern John Wheeler. Detta i en tid då de båda teorierna om ljuset var kända. Den ena av dessa båda teorier hävdade att ljuset bestod av partiklar medan den andra påstod att ljuset bestod av vågor. Numera vet vi att de båda teorierna är sanna men de passar olika bra i olika sammanhang. Teorin som bygger på att ljuset består av vågor förklarade inte riktigt hur ljuset borde reagera på gravitationen. Enligt den andra teorin om ljuset kunde man däremot förvänta sig att ljuspartiklarna påverkades av gravitationen ungefär på samma sätt som kanonkulor eller planeter. Ett tag trodde man att ljuspartiklar kunde färdas med oändligt stor hastighet men upptäckten att ljuset färdades med ändlig hastighet ledde till att gravitationen kunde få en viktig roll i dessa sammanhang. Vetenskapsmannen John Michell skrev 1783 en uppsats där han utgick från antagandet att ljuset färdades med ändlig hastighet. I sin uppsats kunde han konstatera att om stjärnan var tillräckligt massiv och kompakt så skulle den ha så pass starkt gravitationsfält att inget ljus skulle förmå lämna det, utan allt ljus som lämnar stjärnans yta skulle så småningom attraheras tillbaka av gravitationsfältet. Michell räknade också med att det kunde finnas ett stort antal sådana stjärnor och trots att vi inte skulle förmå att se dem, eftersom deras ljus attraherades av gravitationsfältet, så skulle vi känna deras gravitationella attraktionskraft. Det är inte riktigt sådana kroppar som vi idag kallar för svarta hål, ty de är vad de heter: svarta tomrum i rymden. Många fysiker har helt förkastat iden att naturen skulle tillåta sådana underliga objekt och därför förnekat deras existens, däribland Einstein, vars relativitetsteori ligger som grund för de moderna svarta hålen. TillbakaHur skapas ett svart hål?Det kan tyckas lite vansinnigt att betrakta ljus som kanonkulor. Ljusets hastighet är ju konstant enligt relativitetsteorin medan en kanonkula som skjuts upp i rymden bromsas upp efter en viss tidpunkt och återvänder ner till marken igen. Hur kan man då hävda att fotoner påverkas av någon gravitationskraft, när de i själva verket färdas med konstant hastighet? Den mest korrekta förklaringen av detta fenomen kom först 1915 då Einstein framlade sin allmänna relativitetsteori. För att man ska kunna förstå hur svarta hål bildas måste man känna till lite om hur stjärnor fungerar. En stjärna bildas då stora mängder gas, mest väte, börjar kollapsa in mot sig själv till följd av den stora gravitationella attraktionskraften. När stjärnan sedan drar ihop sig så krockar gaspartiklarna allt oftare och dessutom med allt högre hastighet, vilket i sin tur leder till att gasen värms upp. Efter ett tag så slutar atomerna att studsa mot varandra och smälter istället samman och bildar då helium. Det är värmen från en sådan här reaktion som får stjärnan att lysa. Den stora värmen gör att gasens tryck ökar ända tills det blir tillräckligt högt för att stå emot gravitationsattraktionen. När en jämvikt har uppnåtts slutar gasen att dra ihop sig. Men efter ett tag så kommer stjärnans bränslen att ta slut. Bränslet tar slut fortare ju mer bränsle det finns från början, vilket kan tyckas konstigt. Men detta beror på att en större stjärna, som ju också har större gravitationsattraktion, måste vara hetare för att kunna uppnå jämvikt. Av detta följer sedan att ju hetare stjärnan är desto snabbare kommer den att förbruka sitt bränsle. Efter att en stjärna förlorat sitt bränsle börjar den kallna och därmed också dra ihop sig. Vad som sedan kunde inträffa började man inte förstå förrän på 1920-talet. Vita dvärgar och neurtonstjärnorÅret 1928 räknade en indisk forskarstudent ut hur stor en stjärna som hade förbrukat sitt bränsle maximalt kunde bli för att den skulle kunna stå emot sin egen gravitation. Resonemanget var följande: eftersom elektronerna i stjärnans atomer kommer att pressas närmare varandra då stjärnan dras samman så kommer de att skapa en repellerande kraft som kan motstå gravitationen, när inte längre trycket av värmen gör det ( denna repulsionskraft finns mellan alla atomens partiklar och har inget med elektromagnetism att göra). Den indiske forskarstudenten kom fram till att en kall stjärna som hade större massa än cirka en och en halv solmassa inte skulle klara av att stå emot sin egen gravitation. Detta hade stor betydelse för tunga stjärnors slutliga öde. En stjärna som är lättare än den kritiska gränsen kan sluta att dra ihop sig och istället bli kvar i form av en vit dvärg. En vit dvärg hålls uppe av repulsionenmellan elektronerna i dess materia. En annan forskare vid namn Landau kom fram till att det fanns ytterligare ett möjligt slutöde för en stjärna. Även i det här fallet skulle massan vara ungefär lika stor som den kritiska massan men i det här fallet skulle stjärnan få en betydligt mindre radie än en vit dvärg. I dessa skulle gravitationen pressa elektronerna i stjärnans atomer så nära atomkärnan att protonerna och elektronerna skulle gå samman till neutroner. Dessa stjärnor skulle istället hållas uppe av repulsionen mellan neutroner och därför kom de också att kallas för neutronstjärnor. En stjärnas gravitationsfält kröker ljusstrålarnas väg. När stjärnan drar ihop sig blir gravitationsfältet på stjärnans yta ännu starkare (gravitationen är omvänt proportionell mot radien, om en stjärna har en given massa så kommer gravitationen på dess yta öka om ytan flyttas närmare stjärnans centrum och massan är den samma). Till följd av detta blir det svårare för ljuset att lämna stjärnan och för en avlägsen observatör ser stjärnas ljus rödare ut. När stjärnan har krympt till sin kritiska radie är gravitationsfältet så pass starkt att ljuset blir oändligt rödförskjutet och därmed också fått oändligt stor våglängd och kommer aldrig att lämna stjärnan. Eftersom ingenting, enligt relativitetsteorin, kan färdas fortare än ljuset så kan inte något lämna stjärnan utan allt dras in av gravitationsfältet. Man har alltså uppnått ett tillstånd då ingenting kan nå en avlägsen observatör. Det är detta som vi kallar för svarta hål. Denna stjärna är ej i egentlig mening en stjärna, eftersom det inte längre finns något som kan hindra gravitationen kommer stjärnan att kollapsa till en singularitet (en punkt) där all massa kommer att vara samlad och vara källan till gravitationen. Den radien där flykthastigheten är större än ljusets hastighet kallas händelsehorisonten därför att innanför den står tiden stilla (den kallas även Swarzild radien efter den fysiker som räknade fram den). TillbakaRoterande och icke roterande svarta hålÅr 1967 gjordes intressanta upptäckter av en kanadensisk forskare vid namn Werner Israel. Han visade att icke roterande svarta hål måste vara mycket enkla; de är perfekt sfäriska och deras storlek beror endast på deras massa. I början hävdade flera forskare att eftersom de svarta hålen måste vara perfekt sfäriska så skulle ett svart hål endast kunna bildas genom kollapsen av en perfekt sfärisk himlakropp. Men det fanns även andra tolkningar av Israels resultat. Enligt en av dessa så innebar de snabba rörelserna under stjärnans kollaps att de gravitationsvågor som stjärnan sände ut skulle göra den alltmer sfärisk och när den väl hade kommit i vila så skulle den vara exakt sfärisk. Enligt denna teori så skulle alla icke-roterande stjärnor (av rätt storlek) alltid sluta som perfekt sfäriska svarta hål vars storlek enbart berodde på deras massa, oberoende av hur komplicerad inre struktur de hade. Israels teori gällde alltså bara de svarta hål som hade bildats ur icke-roterande himlakroppar. År 1963 kom nyazeeländaren Roy Kerr fram till lösningar av den allmänna relativitetsteorin som även beskrev roterande svarta hål. Dessa roterar alltså med konstant fart och deras storlek och form beror på deras massa och rotationshastighet. Om rotationen är noll blir alltså det svarta hålet perfekt sfäriskt. I annat fall buktar det svarta hålet ut vid ekvatorn och ju snabbare det roterar desto mer buktar det ut. Efter den gravitationella kollapsen måste alltså det svarta hålet nå ett vilotillstånd där det kan rotera, men inte pulsera. Dessutom så beror dess storlek och form endast på dess massa och rotationshastighet och inte på egenskaperna hos den himlakropp som hade kollapsat. Denna teori är av stor praktisk betydelse, inte minst med tanke på att den inskränker starkt antalet möjliga typer av svarta hål. De svarta hålen är ett av de få fall i vetenskapshistorien där man har byggt upp en teori med hjälp av matematiska modeller redan innan man har funnit några observationella bevis. Inte helt oväntat var detta ett av de viktigaste argumenten för teorins motståndare. TillbakaSökandet efter bevis1963 mätte man rödförskjutningen hos en svag stjärnliknande himlakropp. Man kom fram till att rödförskjutningen var alldeles för stor för att kunna orsakas av ett gravitationsfält: om den hade orsakats av ett gravitationsfält skulle himlakroppen haft en så stor massa att den hade stört planeternas banor i vårt solsystem. Det mesta tydde istället på att rödförskjutningen berodde på universums utvidgning, vilket i sin tur innebar att himlakroppen befann sig på ett mycket stort avstånd. Därmed kunde man dra slutsatsen att himlakroppen, för att den skulle vara synlig på detta stora avstånd, måste vara mycket ljusstark, dvs sända ut stora mängder energi. Den enda förklaring man kunde tänka sig var att dessa stora energimängder producerades av en gravitationell kollaps av inte bara en stjärna utan till och med en hel centralregion i en galax. År 1967 gjorde man fler observationer som gav en fingervisning om att svarta hål kunde existera. Det var en forskarstudent, Jocelyn Bell, som upptäckte någonting som sände ut regelbundna radiovågspulser. Det första intrycket hon fick var att hon hade fått kontakt med en annan civilisation. Men snart skulle det visa sig att dessa objekt inte var några gröna män utan roterande neutronstjärnor som sände ut radiovågspulser på grund av växelverkan mellan deras magnetfält och den omgivande materian. Detta var den första positiva indikationen att neutronstjärnor existerade. Utifrån detta kunde man sedan dra slutsatsen att om en stjärna kunde kollapsa till så liten storlek så var det inte orimligt att förvänta sig att även andra stjärnor kunde kollapsa ännu mer och bli svarta hål. Men hur kunde man ens hoppas på att upptäcka ett svart hål, när själva definitionen på ett svart hål är att det inte kan sända ut något ljus? Det finns nämligen ett sätt. Som den tidigare nämnda fysikern John Michell påpekade så utövar ett svart hål en gravitationell attraktion på kroppar som befinner sig i närheten. Man har observerat flera system där två stjärnor kretsar kring varandra på grund av ömsesidig växelverkan. Man har också observerat system där en stjärna kretsar kring någonting som man inte kan se. Självklart kan man inte med säkerhet säga att det är ett svart hål, det kan ju mycket väl vara en stjärna som är alldeles för ljussvag för att synas. Den kanske bästa förklaringen på detta fenomen är att materia har blåst bort från den synliga stjärnans yta. När denna sedan faller mot den osynliga följeslagaren får den en spiralformad rörelse och blir så upphettad att den sänder ut röntgenstrålar. För att detta ska kunna fungera så måste den osynliga följeslagaren vara mycket liten, till exempel en vit dvärg, en neutronstjärna eller ett svart hål. Man har utifrån den synliga stjärnans bana kunnat uppskatta den lägsta möjliga massa som den osynliga följeslagaren kan ha. Denna massa har visat sig vara alldeles för stor för att det osynliga objektet ska kunna vara en vit dvärg eller en neutronstjärna. Därför verkar det inte helt orimligt att tro att det skulle kunna vara ett svart hål. Det finns även andra teorier som, lite väl långsökt, förklarar den osynliga följeslagaren men ett svart hål verkar vara den mest naturliga förklaringen. Under universums långa livstid måste många stjärnor ha kollapsat, så att antalet svarta hål kan mycket väl vara större än antalet synliga stjärnor. Gravitationen från detta stora antal svarta hål skulle kanske kunna förklara varför vår galax roterar som den gör idag. TillbakaSmå svarta hålDet finns teorier som säger att svarta hål av varierande storlek skulle kunna ha bildats vid universums födelse. De svarta hål som skulle ha skapats vid universums födelse kan vara av vilken storlek som hellst och bildats av den enorma energi som frigjordes vid big bang. Om t ex två nukleoner skulle ha kolliderat med tillräckligt hög hastighet skulle deras densitet kunna bli tillräckligt hög för att skapa ett svart hål. Ett tag var man orolig att man på jorden i en partikelaccellerator skulle kunna skapa ett svart hål som sedan skulle sluka allt som det kom i närheten av och bara växa och växa till det slukade hela jorden. Men den energiåtgång som skulle krävas för att accellerera partiklarna till tillräckligt hög hastighet skulle kräva så mycket energi att detta är omöjligt. Men vid big bang skulle energin kunna ha varit tillgänglig. Men om små svarta hål skulle existera så kan de antagligen inte finnas särskilt länge utan att evaporera pga ett fenomen som kallas Hawkingstrålning. TillbakaDe källor vi använt oss av för att skapa denna sida
|