Sort hul

Overvektige svarte hull sprenger vektskalaen

Et team forskere har regnet ut at universet antagelig skjuler en ny type svarte hull som har minst hundre milliarder ganger så stor masse som solen. Hvis gigantene finnes, kan de kanskje løse gåten om den mystiske mørke materien.

Et team forskere har regnet ut at universet antagelig skjuler en ny type svarte hull som har minst hundre milliarder ganger så stor masse som solen. Hvis gigantene finnes, kan de kanskje løse gåten om den mystiske mørke materien.

Shutterstock

Langt vekk fra jorden, i stjernebildet Jakthundene, bor et kosmisk uhyre som spiser alt det det kommer over.

Monsteret er et svart hull som veier omkring 66 milliarder ganger så mye som solen og er like stort som hele solsystemet vårt.

Det svarte hullet i midten av kvasaren TON 618 er det til nå største i rekordboka – men ifølge ny forskning er det en miniputt sammenlignet med en type så langt ikke observerte svarte hull som kalles SLAB-er (stupendously large black holes, forbløffende store svarte hull), og som kanskje finnes der ute i mørket.

«Vi definerer SLAB-er som svarte hull som veier mer enn hundre milliarder ganger så mye som solen. De har ikke blitt observert i sentrum av galakser – kanskje fordi de ville ha slukt galaksen rundt seg – men de kan kanskje eksistere mellom galaksene», sier Bernard Carr, professor emeritus i matematikk og astronomi ved Queen Mary-universitetet i London, til Illustrert Vitenskap.

Hvis svarte hull av SLAB-typen finnes, kan de kanskje hjelpe oss med å forstå det tidlige universet.

Sammen med kollegene Florian Kühnel og Luca Visinelli står han bak beregninger som viser at det kan finnes svarte hull som veier flere tusen milliarder ganger så mye som solen – det samme som alle stjernene i Melkeveien.

Finnes svarte hull av SLAB-typen, kan de kanskje hjelpe oss med å forstå det tidlige universet og den mystiske mørke materien som er overalt i universet, men som astronomene fortsatt ikke vet hva er.

Finnes i alle størrelser

De gåtefulle svarte hullene har lenge fascinert astronomene.

I 1783 framsatte den britiske geologen John Michell en teori om legemer med en tyngdekraft så voldsom at selv ikke lys kunne slippe unna.

Han kalte dem «mørke stjerner». Michell innså at noen stjerner kunne ha en så kraftig tyngdepåvirkning at stjernens unnslipningshastighet – den hastigheten som kreves for at et romskip eller en lyspartikkel kan komme seg vekk fra den – ville være større enn lysets hastighet.

Fusjon af sort hull og stjerne
© ESO/L. Calçada/M.Kornmesser

Etegilde og fusjoner får svarte hull til å vokse vilt

Svarte hull kan vokse ved å tiltrekke gasser, men den kraftige veksten kan også skje hvis den ene av to stjerner i et dobbelt stjernesystem blir til et svart hull og deretter begynner å spise den andre. To svarte hull kan tiltrekke hverandre og til slutt støte sammen i en gigantisk kollisjon som får dem til å fusjonere og bli til ett gigantisk svart hull.

132 år senere, i år 1915, etablerte Albert Einstein det teoretiske fundamentet for svarte hull med sin generelle relativitetsteori, og litt over et århundre senere – i 2019 – kunne den internasjonale forskergruppen bak Event Horizon Telescope (EHT) vise et bilde av en lysende krans av glovarme gasser som virvler rundt det roterende svarte hullet i galaksen Messier 87.

De svarte hullene finnes i et stort mangfold, alt fra bitte små hull som veier tre solmasser eller kanskje enda mindre, til det ubegripelig store, tyngre enn noen annen kosmisk gjenstand noen gang målt.

De supertunge svarte hullene finnes i sentrum av mange galakser, deriblant Melkeveiens svarte hull Sagittarius A*, som veier rundt fire millioner ganger så mye som solen. Det supertunge svarte hullet i sentrum av Messier 87 er enda større: Det veier omkring 6,5 milliarder ganger så mye som solen.

Men en SLAB kan ha fra 100 milliarder og opp til en trillion – en milliard milliarder – ganger så stor masse som solen.

«Det mest oppsiktsvekkende med svarte hull er at de kan finnes i et enormt stort spenn av masser – helt fra Planck-massen (omkring en hundretusendel av et gram, red.anm.) via kollapsede stjerner på 10–100 solmasser til supertunge svarte hull på en million til en milliard solmasser – og kanskje til SLAB-er», forklarer Bernard Carr.

Kan stamme fra tidenes morgen

Felles for de svarte hullene er at de kan vokse seg større og større når først de er dannet.

Det mest oppsiktsvekkende ved svarte hull er at de kan finnes i et enormt stort spenn av masser. Bernard Carr, professor emeritus i matematikk og astronomi ved Queen Mary-universitetet i London

De suger til seg gass og støv som om omgivelsene var en buffé, og derfor legger de på seg. Dermed blir tettheten av stoff i et svart hull uendelig.

Som Bernard Carr påpeker er SLAB-er så store at det ikke er sannsynlig at vi vil finne dem midten av galakser fordi de antagelig med tiden ville ha slukt hele galaksen. Den enorme massen betyr at de må være veldig gamle for å kunne utvikle seg til å bli så store.

Derfor mener forskerne at SLAB-er kan være dannet i det aller tidligste universet – før galaksene begynte å ta form. På dette tidlige tidspunktet var universet dominert av stråling.

Bernard Carr

Professor Bernard Carr ved Queen Mary-universitetet i London mener at noen ekstremt store svarte hull kan være dannet før big bang av bevegelser i tettpakket stoff.

© Bernard Carr

«De kan være dannet i det aller tidligste universet, som var preget av stråling. De kan ha startet som svarte hull allerede på det tidspunktet, siden de nødvendigvis må ha vokst enormt mye etter å ha blitt til», sier Carr.

Sender kanskje ut gammastråler

Noen svarte hull stammer fra universets barndom, men den gangen kunne de ikke dannes av stjerner som kollapset.

Den gangen fantes det nemlig verken galakser eller stjerner, men til gjengjeld lå materien tettpakket, og lokale bevegelser kan ha gitt den dytten som skulle til for å danne et svart hull.

Spørsmålet er dessuten om de svarte hullene er en del av forklaringen på den mørke materien i universet.

Mørk materie er astronomenes betegnelse for omkring 85 prosent av materien i universet – som fortsatt ikke er observert, men som kan forklare tyngdekraftfenomener som ikke kan forklares bare ut fra den synlige materien i form av galakser og stjerner.

Det gjelder for eksempel måten stjerner beveger seg på inne i galakser, og måten galakser beveger seg på, noe astronomene ikke kan forklare uten mørk materie.

Sort hull, lys
© Shutterstock

Bøyd lys og gravitasjonsbølger skal avsløre SLAB-er

Krusninger i romtiden og en kosmisk linseeffekt som bøyer lys rundt stjerner, kan fortelle om SLAB-er finnes.

Universet, lys
© Hubble/ESA/NASA

Tunge gjenstander bøyer av lys

Tunge gjenstander i universet, for eksempel stjerner, planeter og galakser, kan fungere som en linse som bøyer av lys fra andre himmellegemer som ligger bak dem.

Sort hul, vaegtskala
© Mark Garlick/Getty Images

Gravitasjonsbølger påvirker romtiden

Gravitasjonsbølger er krusninger i romtiden som sendes ut for eksempel når to svarte hull roterer rundt hverandre eller støter sammen. Ut fra blant annet størrelsen på gravitasjonsbølgenes svingninger kan astronomene anslå massen til de svarte hullene.

Universet
© M. Postman (STScI), the CLASH Team, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/ESA/NASA

Partikler sender ut stråling

Såkalte svakt vekselvirkende massive partikler (WIMP-er, weakly interacting massive particles) en kanskje en del av den mørke materien. Hvis WIMP-er finnes, sender de ut gammastråling ved møtet med en såkalt antipartikkel ved det svarte hullets hendelseshorisont.

Nettopp den mørke materien kan vise seg å spille en rolle i oppdagelsen av SLAB-er – hvis de i det hele tatt eksisterer.

En SLAB vil kunne oppdages med gravitasjonslinseeffekten.

Som navnet tilsier, kan en stjerne, galakse eller andre tunge gjenstander i universet virke som en linse som bøyer av lys.

Avbøyningen skyldes at romtiden rundt for eksempel en stjerne eller et svart hull blir krum på grunn av tyngdekraften. Lyset fra en stjerne eller galakse bak gjenstanden blir derfor bøyd i en kurve rundt gjenstanden i stedet for å bevege seg i en rett linje.

Prinsippet blir allerede i dag utnyttet av teleskoper til å se «rundt» noen galakser og stjerner.

I prinsippet vil en SLAB også kunne oppdages via gravitasjonsbølger, altså små krusninger, i romtiden som oppstår når for eksempel to svarte hull holder på å spise hverandre. I dag kan gravitasjonsbølger fanges opp av instrumentet LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) i USA.

Men en mer utradisjonell måte å avsløre de gigantiske svarte hullene på er gjennom svakt vekselvirkende massive partikler, som er elementærpartikler som kanskje dannes i forbindelse med mørk materie.

«De ville danne en gravitasjonshalo (glorie, red.anm.) rundt hver SLAB, og utslettelsen av dem ville sende ut et gammastrålesignal», sier Bernard Carr.

Skjuler nøkkelen til en teori om alt

Et slikt signal ville kunne fanges opp med teleskop fra jorden og dermed avsløre både en SLAB og en elementærpartikkel med tette forbindelser til et av universets store mysterier, mørk materie.

Dermed fortsetter de svarte hullene å være hovedpersoner i astronomenes jakt etter svar på noen av de største gåtene innenfor fysikken og kosmologien. På grunn av de ekstreme egenskapene står svarte hull også i sentrum for en om lag hundre år lang kamp for å forene kvantemekanikken med relativitetsteorien.

Det er de to teoriene som beskriver oppførselen til henholdsvis alt det minste i universet, som fotoner og elektroner, og alt det største, som planeter, stjerner og galakser.

I et svart hull blir begge teoriene virkelig satt på prøve, og derfor håper forskerne at svaret kan skjule seg her.

«Det er sannsynlig at studier av svarte hull inneholder nøkkelen til å forene den generelle relativitetsteorien med kvantemekanikken, noe som er den hellige gral innenfor fysikken», sier Bernard Carr.