Svarte hull går til filmen

I 2019 så vi det første bildet av et svart hull. Nå vil forskerne bruke et enormt teleskopnettverk til å ta opp video av det supertunge svarte hullet i sentrum av Melkeveien. Filmen kan avsløre hva som skjer når teoriene våre om universet presses til det ytterste.

I 2019 så vi det første bildet av et svart hull. Nå vil forskerne bruke et enormt teleskopnettverk til å ta opp video av det supertunge svarte hullet i sentrum av Melkeveien. Filmen kan avsløre hva som skjer når teoriene våre om universet presses til det ytterste.

Shutterstock

Det litt kornete bildet av litt gult og oransje lys med en rund, mørk skygge i midten så ikke så overveldende ut da det ble presentert for offentligheten 10. april 2019. Men faktisk var det en sensasjon: Det første bildet av et svart hull.

Eller rettere sagt – av alt det som er rundt et svart hull. Som navnet tilsier, er svarte hull i seg selv usynlige, fordi den enorme tyngdekraften suger alt til seg og forhindrer selv lys i å slippe unna.

Men bildet viste likevel så skarpe konturer av det svarte hullet at astronomene som sto bak bragden, kunne si at de for første gang hadde «sett noe vi trodde det var umulig å se».

Svarte hull er på tross av sin lyssky natur et av de mest studerte astronomiske fenomenene. Det er fordi de er mystiske, men også fordi de ifølge astrofysikerne har avgjørende betydning for universets utvikling og dannelsen av galakser, stjerner og planeter – og altså til syvende og sist også oss selv her på jorden.

Derfor fanger astronomer opp alt det som skjer tett på de svarte hullene når deres enorme tyngdepåvirkning virvler rundt tid og rom i universet.

Og derfor brukte hundrevis av forskere årevis på å observere det ytre rom ved hjelp av et verdensomspennende nettverk av teleskoper, slik at de kunne pusle sammen en uklar gul og oransje sirkel rundt en mørk skygge.

Døde stjerner er usynlige

Selv ikke lys slipper unna svarte hull. Men forskere kan se at de finnes – fordi ekstremt kraftige gravitasjonsfelt påvirker alt rundt seg.

© NASA/JPL-Caltech & ESO/MPE/S. Gillessen et al. & NASA/CXC/W. Forman et al. & NASA’s Goddard Space Flight Center

Stjerner peker mot det svarte hullet

Astronomene oppdager som regel et svart hull ved å stjerner ser ut til å gå i bane rundt et tomrom – altså et himmellegeme som er veldig massivt, men ikke sender ut stråling. Det kan bare være et svart hull.

© NASA/JPL-Caltech & ESO/MPE/S. Gillessen et al. & NASA/CXC/W. Forman et al. & NASA’s Goddard Space Flight Center

Stråling avslører enorm energi

Lys og annen stråling slipper ikke unna et svart hull, men skiven rundt hullet sender av sted kraftig stråling fordi gass og støv blir slynget rundt og varmet opp til flere millioner grader.

© NASA/JPL-Caltech & ESO/MPE/S. Gillessen et al. & NASA/CXC/W. Forman et al. & NASA’s Goddard Space Flight Center

Gravitasjonsbølger forvrenger rommet

Når to svarte hull smelter sammen, frigis det energi i form av såkalte gravitasjonsbølger, som ruller gjennom verdensrommet. Bølgene kan måles med ekstremt følsomme detektorer på jorden.

Men astronomene har bare så vidt kommet i gang. Nå retter de teleskopene mot det svarte hullet som gjemmer seg i hjertet av Melkeveien – ikke for å ta et bilde, men for å ta opp en film som kan vise om fysikkens lover holder når de presses ut i det mest ekstreme.

Omgivelser avslører svarte hull

Et svart hull er kort fortalt en ekstremt stor masse presset sammen på et lite område. Tyngdekraften blir sterkere og sterkere mot midten, og i sentrum er så mye masse samlet i et forsvinnende lite område at kraften blir så stor at den bøyer både rom og tid helt rundt seg.

Et slikt punkt kalles en singularitet. Singulariteter ble introdusert av Albert Einstein da han i 1915 la fram sin generelle relativitetsteori, som er vår beste beskrivelse av tyngdekraftens natur.

Et bilde av et svart hull er faktisk et «skyggebilde». Silhuetten utgjøres av fotoner bak hullet som avbøyes av tyngdekraften og sendes i retning av jorden.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Einstein tvilte faktisk på at singulariteter eksisterer, men de er i dag astrofysikernes eneste forklaring på de fenomenene vi kan observere omkring svarte hull.

Massetettheten i hullene er så ekstrem at forskerne betrakter dem som naturens eget laboratorium, der vi kan teste om forståelsen vår av tyngdekraften faktisk holder stikk når den presses til det ytterste.

Rundt et svart hull virvler støv og gass i den såkalte tilvekstskiven. Det innerste av skiven blir gradvis sugd inn i hullet av tyngdekraften.

Når materialet kommer tett nok på, passeres den såkalte hendelseshorisonten, som kanskje er fysikkens mest fascinerende skillelinje: Hvis et legeme, eller lys, passerer den, kan det aldri komme ut igjen. Hendelseshorisonten er dermed også grensen for innsikten vår i et svart hull.

VIDEO: Eksperter svarer på spørsmål – “Hvorfor er billedet så uklart?”

Astronomer studerer derfor svarte hull ved å observere hva som skjer rett rundt dem. Tyngdekraften til de svarte hullene får for eksempel stjerner til å gå i bane rundt dem, og hullenes masse kan regnes ut basert fra stjernenes baner.

Enda tettere på de svarte hullene sendes det ut kraftig stråling vi kan måle fra jorden. Strålingen kommer fra ekstremt varme gasser. Tett på hendelseshorisonten er gravitasjonsfeltet så sterkt at strålingens enkelte bestanddeler, fotoner, låses fast i baner omkring hullet.

Banene er ustabile, og derfor vil fotonene enten falle inn i det svarte hullet eller bli slynget vekk. Noen av dem slynges i retning av oss og kommer til jorden etter millioner av år, hvis de da ikke underveis har støtt inn i hindre, blitt avbøyd av andre tunge objekter, eller – på den aller siste delen av reisen – blitt slukt av vanndamp i jordens atmosfære.

Event Horizon Telescope består av elleve teleskoper som sammen virker som ett stort teleskop med en skjerm så stor som hele jorden. Teleskopene dekker hvert sitt område på skjermen og bidrar til et samlet bilde.

© Ken Ikeda Madsen & Dr. Nimesh Patel

Stråling fra svart hull kommer til jorden

Astronomer observerer svarte hull med teleskoper som fanger opp radiobølger. I motsetning til synlig lys kan bølgene trenge gjennom atmosfæren og nå ned til overflaten.

© Ken Ikeda Madsen & Dr. Nimesh Patel

Teleskoper observerer halvparten av døgnet

På grunn av jordens rotasjon har hvert teleskop utsikt til et svart hull i halvparten av døgnet. Når teleskoper er på «feil» side av jorden, overtar andre i nettverket.

© Ken Ikeda Madsen & Dr. Nimesh Patel

Rotasjon gjør bilder skarpere

Hvert teleskop dekker i løpet av observasjonstiden små «streker» av punktvise observasjoner på «skjermen», siden jorden roterer. Det øker oppløsningen på bildene.

Stråling fra svarte hull når ikke fram til jorden i form av synlig lys, men som radiobølger. Astronomer fanger opp bølgene ved hjelp av et verdensomspennende nettverk av radioteleskoper som kalles Event Horizon Telescope (EHT), som kan måle stråling med en bølgelengde på 1,3 millimeter.

EHTs radioteleskoper målte stråling fra det svarte hul M87* i april 2017, og i løpet av sju dager samlet EHT inn 5 petabytes data om hullet.

Det svarer til den samlede produksjonen av selfier fra hele livet til 40 000 mennesker.Så store datamengder er det mer praktisk å transportere fysisk enn å overføre via internett, så harddisker ble fløyet til to datasentre der observasjonene ble satt sammen.

Forskerne «oversatte» radiobølger til synlige farger – gul representerer den sterkeste strålingen, rød litt svakere, og svarte piksler er der det ikke er målt noen stråling.

Det var takket være denne framgangsmåten EHT-forskerne om lag to år senere kunne presentere det bildet som ble så berømt.

Bildet var særlig banebrytende fordi det for første gang viser oss selve hendelseshorisonten.

Vi kan se den som den runde, mørke skiven som er omkranset av gult og oransje lys. EHTs astronomer har beregnet at hendelseshorisonten til M87* har en diameter på om lag 39,2 milliarder kilometer.

39,2 milliarder kilometer er diameteren til M87*, som ble berømt i 2019.

Melkeveiens svarte hull forundrer astronomene

Melkeveien roterer rundt det supertunge svarte hullet Sagittarius A. Astronomene vil finstudere strålingen fra hullet for å løse en rekke mysterier om vår galakses svarte sentrum. De vil for eksempel oppklare hvorfor Sagittarius A ser ut til å sluke mindre gass og støv enn andre svarte hull.

Hvorfor sluker hullet så lite?

Stråling fra Sagittarius A* tyder på at det fortærer veldig lite gass og støv i tilvekstskiven sammenlignet med andre svarte hull. Forklaringen kan ligge i hullets magnetfelt, som tvinger materialet i tilvekstskiven ut i stabile baner der det ikke blir slukt. Magnetfeltet blir blant annet undersøkt med SOFIA-teleskopet, som er installert på en Boeing 747.

© NASA

Hvor mye masse er det samlet i hullet?

Massen av Sagittarius A* angis som regel som 4 millioner solmasser, men astronomene kjenner ikke den presise «vekten». Hittil er massen beregnet ved å observere stjerner som går i bane rundt det svarte hullet. I 2008 kom amerikanske forskere fram til en vekt på 3,7 millioner solmasser, mens tyske forskere året etter fikk resultatet 4,3 millioner solmasser.

© Ken Ikeda Madsen

Har det svarte hullet jeter?

Supertunge svarte hull har ofte såkalte jeter som skytes ut vinkelrett fra tilvekstskiven. Astronomer fra University of Sydney har analysert to enorme gassbobler som strekker seg ut fra Sagittarius A*. Analysen viste at det svarte hullet slukte en enorm gasssky for om lag 3,5 millioner år siden, og at en del av gassen samtidig ble slynget ut i hver sin retning.

© NASA’s Goddard Space Flight Center

Hvorfor blusser strålingen opp?

I mai 2019 steg økte stråling fra Sagittarius A* plutselig til dobbel styrke. Astronomene vet fortsatt ikke hvorfor, men en teori er at stjernen S0-2 har passert veldig tett på det svarte hullet, og det har fått gasser omkring hullet til å klumpe seg sammen og akselerere samlet i ett stort rykk innover – med en enorm energiutladning som konsekvens.

Melkeveiens svarte hull er et barn

M87* veier omkring 6,5 milliarder ganger solens masse og er et såkalt supertungt svart hull. I midten av Melkeveien finnes det også et supertungt svart hull.

Det kalles Sagittarius A, og hele galaksen roterer rundt det. Forskjellen på M87 og Sagittarius A* er at Melkeveiens svarte hull er omkring 1600 ganger lettere.

Samtidig er det 2000 ganger nærmere oss. Forskjellene i masse og avstand «opphever» til dels hverandre – sett fra jorden er det ikke stor forskjell på størrelsen til de to svarte hullene.

Men forskjellen har en annen og avgjørende betydning: hastighet. M87* er et takknemlig motiv fordi astronomene kan ta bilder av det med lang «lukkertid».

Det kan de fordi strålingen fra hullet forblir nesten uendret over mange timer, siden gasser virvler veldig langsomt rundt hullet. Gassene beveger seg langsomt fordi de er langt fra det punktet der det svarte hullets masse er samlet – singulariteten.

Det forholder seg omvendt med Sagittarius A*. Gassene beveger seg raskere rundt hullet fordi de er nærmere midtpunktet.

Forskerne sammenligner M87 med en voksen som sitter stille for å få bli avbildet, mens Sagittarius A er som et tre år gammelt barn som suser rundt i bilderammen. Og løsningen er å filme i stedet for å ta et enkelt bilde.

Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) i Japan er et nytt instrument som kan observere gravitasjonsbølger som kan stamme fra sammenstøt mellom svarte hull.

© KAGRA Observatory

Forskerne vil stille inn EHT-nettverkets teleskoper til å ta opp radiostråling med en kortere bølgelengde, nemlig 0,87 i stedet for 1,3 millimeter.

Det kan ifølge forskerne forbedre skarpheten av bildene med 30–50 prosent. Dessuten vil de koble sammen opptak fra flere teleskoper enn tidligere.

Tre teleskoper om ligger i henholdsvis på Grønland, i Frankrike og i USA er nå lagt til de åtte teleskopene som allerede var en del av EHT-nettverket.

Dessuten vil forskerne nå kunne bruke et dataprogram ved navn StarWarps til å sette sammen bildene til en sammenhengende film. StarWarps kan analysere en rekke bilder og regne ut hvordan de mellomliggende bildene sannsynligvis ser ut.

Dermed kan programmet supplere med dataskapte bilder, slik at noe som ellers kunne ligne et lysbildeshow, blir til levende bilder.

Svarte hull kan besvare alt

En film av det svarte hullet i sentrum av Melkeveien kan hjelpe oss med å oppklare flere spørsmål; for eksempel vil forskerne gjerne vite mer om hvordan de svarte hullenes magnetfelt «skyver» på materialet i tilvekstskiven.

Teorien er at tyngdekraften og rotasjonen til et svart hull vrir et magnetfelt som påvirker partikler med elektrisk ladning i området rundt.

Noen av partiklene faller inn i det svarte hullet, mens andre slynges langt unna, men forskerne vet ikke hvor mye materiale som havner den ene eller den andre veien.

Video av stoffet omkring Sagittarius A* kan kanskje gi forskerne svar. Partiklene kan også ende i såkalte jeter som finnes hos mange svarte hull og består av partikler med elektrisk ladning som skytes ut fra den innerste kanten av tilvekstskiven.

Forskerne i det verdensomspennende teleskopnettverket Event Horizon Telescope (EHT) vil skape en video av det svarte hullet i midten av Melkeveien. De har utviklet en teknikk som kombinerer observerte og datagenererte bilder til en film.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Teleskoper registrerer observasjoner presist

Stråling fra det svarte hullet når EHT-teleskoper på jorden. Tiden for hver observasjon registreres av atomklokker som bare mister ett sekund på 10 millioner år.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Data om harddisker blir fløyet på tvers av kloden

Om lag 0,5 tonn harddisker fylt med data flys fra teleskopene til Cambridge i USA og Bonn i Tyskland, der superdatamaskiner fletter sammen alle observasjonene.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Observasjoner fra hele kloden blir samlet

Hver observasjon bidrar med en liten bit av ett samlet bilde, der forskerne bruker synlige farger til å representere styrken av de målte radiobølgene fra det svarte hullet.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Datamaskin fyller ut hullene mellom bildene

Hvert bilde av det svarte hullet blir «framkalt» ut fra flere minutters observasjoner fra hvert enkelt teleskop. Et dataprogram som kalles StarWarps registrerer små endringer som skjer i løpet av «lukkertiden». Ut fra endringene genererer StarWarps de mest sannsynlige mellomliggende bildene, slik at resultatet blir en sammenhengende film.

Det neste spørsmålet filmopptakene av Sagittarius A* kan gi svar på, er hvordan de supertunge svarte hullene opprinnelig har oppstått. Supertunge svarte hull finnes i hjertet av de fleste galaksene og er dannet samtidig med galaksene.

Men noen supertunge svarte hull, på opptil 30 milliarder solmasser, er ifølge teorien for langt unna – for eksempel det som har fått navn J2157. Lyset vi mottar fra J2157, ble sendt ut da universet bare var 1,2 milliarder år gammelt.

Ifølge teoriene burde ikke svarte hull på over 20 milliarder solmasser finnes så tidlig i universets historie. En video av Sagittarius A* vil gi forskerne en indikasjon om hvordan Melkeveiens mørke sentrum er dannet, og dermed også hvordan «forbudte» svarte hull blir født.

Astronomene ved EHT vil også filme andre svarte hull. Drømmen er en hel filmkatalog, noe som vil gi forskerne mulighet for å sammenligne supertunge svarte hull med ulike aldre, slik at de kan se hvordan de utvikler seg.

Problemet med kvante­gravitasjon er uløst, og svarte hull er et av stedene vi kan lete etter svar. Avery Broderick, Astrofysiker

I dag er EHT spredt over hele kloden for å samle inn stråling med størst mulig «parabolskjerm», men EHT-astronomene ønsker seg et nettverk av satellitteleskoper.

Det ville gi EHT en enda større diameter, og samtidig kan satellitter fange opp stråling som vanligvis absorberes i jordens atmosfære.

Forskere ved Radboud University i Nederland har beregnet at de to forbedringene vil gi en bildeoppløsning som er opp til fem ganger større enn med det nåværende EHT-systemet.

En videokatalog i høy oppløsning er bare begynnelsen på hva vi kan oppnå med et EHT som blir utvidet til verdensrommet. Forskernes mål er å forandre selve vitenskapen – ved å påvise at fysikkens to mest grunnleggende teorier kan forenes.

Einsteins relativitetsteori forklarer universet på den store skalaen og er fortsatt den beste forklaringen på hvordan svarte hull oppfører seg.

Men den har alltid vært umulig å kombinere med kvantemekanikken, som forklarer de aller minste partiklene.

Astrofysikere har allerede funnet navnet på teorien som kanskje kan forene de to: kvantegravitasjon.

Og bevisene for denne teorien – noe som vil være den største revolusjonen i fysikken på over 100 år – kan gjemme seg rundt de svarte hullene.

Som en av forskerne bak EHT, den kanadiske fysikeren Avery Broderick, uttrykker det: «Det mest spennende vi kan gjøre, vil være å erstatte Einsteins teori ved å vise at det i dette ekstreme tyngdemessige laboratoriet gjemmer seg noe nytt. Det vrimler av mysterier omkring svarte hull, og vi vet at det må finnes noe mer.»