Svarte hull punkterer universet

Ingen har sett et eneste av dem. Einstein trodde ikke de fantes. Og Stephen Hawking brukte en stor del av livet på dem. Gjennom et århundre har universets svarte hull splittet, fascinert og forbløffet verdens astrofysikere. I dag er de enige om at de finnes strødd ut overalt i universet, men de har fortsatt mange hemmeligheter.

Shutterstock

«Absurd!» Det var reaksjonen fra den svært anerkjente engelske astronomen og astrofysikeren Arthur Eddington da han i 1935 fant fram til noen overraskende resultater om tyngdekraften for kollapsende stjerner.

Eddington hadde i en periode arbeidet med matematiske beregninger for hva som egentlig ville skje med stjerner av forskjellig størrelse når de gikk tom for drivstoff.

I dette arbeidet brukte han ligninger fra den generelle relativitetsteorien, som Albert Einstein hadde utviklet 20 år tidligere, og Eddington kom fram til at en stjernes kollaps i noen tilfeller kunne skape det vi i dag kjenner som et svart hull.

Eddington burde ha ropt «Eureka!» i stedet for «Absurd!», for beregningene hans var helt korrekte. Og selv om han ikke selv kunne akseptere resultatet, var det mange andre som gjorde det.

Jeg har kommet til en klar forståelse av hvorfor singulariteter ikke eksisterer i virkeligheten.
Albert Einstein i en vitenskapelig artikkel i 1939

De følgende tiårene viste det seg at verken relativitetsteorien eller tanken om svarte hull i universet bare var matematisk spekulasjon. Det var fysisk virkelighet.

I dag vet vi at svarte hull spiller en helt avgjørende rolle for de fenomenene vi kan observere rundt oss, uansett om det er i vår egen galakse, Melkeveien, eller galakser som ligger milliarder av lysår ute i universet. Og det er fortsatt relativitetsteorien som er vår beste nøkkel til å forstå dem.

Et svart hull er et legeme der det er så mye masse samlet på et så lite område at tyngdekraften blir ubegripelig sterk – så sterk at ingenting, ikke engang lys, kan slippe unna. Det er derfor vi kaller det et svart hull.

Den første fysikeren som brukte uttrykket, var amerikaneren John Wheeler, og det skjedde først i 1967. Men tanken om at tyngdekraften kan holde på lyset, er faktisk mye eldre.

Vi må helt tilbake til 1780-tallet, 150 år før Eddingtons skeptiske utbrudd, for å finne de første vitenskapsmennene som arbeidet med ideen. En av dem var John Michell.

Han var, som så mange andre av den tidens naturforskere, teologisk utdannet, og i Thornhill i England drev han sine vitenskapelige studier samtidig som han var sogneprest.

Tyngdekraften vinner over lyset

John Michell skjøt i blinde og traff blink

På 1780-tallet utviklet engelskmannen John Michell sin teori om «mørke stjerner», som var så tunge at lyset ikke kunne slippe unna. Michells teori var feil, men tankene ligner beskrivelsen av et svart hull.

Einstein trodde ikke sine egne ligninger

Med relativitetsteorien fra 1915 fant Einstein opp romtiden, som beskriver universet i fire dimensjoner. Tunge legemer krummer romtiden og skaper en tyngdebrønn rundt seg. I prinsippet kan den være uendelig dyp og resultere i en såkalt singularitet, kjernen i et svart hull. Einstein mente imidlertid at det ikke kunne skje i virkeligheten.

Prest fikk ideen om svarte hull

John Michell var en del av den bølgen av matematisk tenkning som Isaac Newton hadde satt i gang 100 år tidligere da han publiserte gravitasjonsloven som forklarte at de kreftene som holdt planetene i bane rundt sola, var de samme som fikk hans berømte eple til å falle til bakken.

På Michells tid var det vanlig å betrakte lys som partikler med masse, akkurat som andre partikler, og det fikk ham til å fundere over hva som egentlig skjedde med lyset når det ble sendt ut fra en stjerne.

Hvis stjernen var stor nok, ville tyngdekraften trekke i lyspartiklene og bremse dem ned. Og hvis stjernen var enda større, ville de ikke kunne slippe unna i det hele tatt. Et slikt legeme kalte Michell en «mørk stjerne», og han mente at det måtte finnes massevis av gigantiske stjerner vi ikke kunne se fordi lyset ikke kunne forlate dem.

Ideen var solid, og på flere måter ligner Michells tanker dagens forestillinger om svarte hull, selv om forutsetningene hans ikke var riktige. Særlig på tre områder manglet han kunnskap.

For det første antok han at lys har masse – i dag vet vi at lys ikke har det.

For det andre visste ikke Michell at stjerner på den størrelsen han forestilte seg, er for ustabile til å eksistere – i dag vet vi at de ville kollapse og faktisk resultere i et svart hull.

Og for det tredje manglet Michell en dypere forståelse av hvordan tyngdekraften virker. I dag har vi, takket være Einsteins generelle relativitetsteori, en helt annen oppfatning av hvordan masse, rom, tid og lys henger sammen.

Forskerne har kartlagt anatomien i svarte hull

1 / 4

undefined

1234

Astrofysikerne mener i dag at alle svarte hull er bygd opp likt. De kan ha ulik masse, og rotasjonen kan variere, men ellers består de fra innerst til ytterst av en singularitet (1), en hendelseshorisont (2), en ergosfære (3) og en akkresjonsskive (4).

Einstein ga en ny formel for universet

Einsteins teori inneholder en rekke såkalte feltligninger, som beskriver rommet på en helt annen måte enn den vi normalt opplever det på. I hverdagen sanser vi verden rundt oss i tre fysiske dimensjoner, men i Einsteins univers er tiden innebygd som en fjerde dimensjon, slik at vi i stedet får en firedimensjonal størrelse som kalles romtiden.

Det er veldig vanskelig å forestille seg et firedimensjonalt rom, og derfor illustreres romtiden som regel ved å koke de fire dimensjonene ned til to, slik at vi visuelt får en todimensjonal plate eller duk.

Alle ting som har masse, påvirker romtiden, slik at den deformeres. Vi kan illustrere det ved at legemet tynger ned duken og skaper en fordypning. Den samme nære sammenhengen finnes mellom masse og romtid:

  • Massen påvirker romtiden og forteller den hvordan den skal krumme seg.
  • Romtiden påvirker massen og forteller den hvordan den skal bevege seg.

Hvis vi tar vår egen jordklode som eksempel, kan vi se for oss at massen skaper en skålformet fordypning i romtiden, og det er denne fordypningen som illustrerer gravitasjonsfeltet.

Når månen går i bane rundt jorda, er det altså fordi den «triller» rundt i kanten av denne fordypningen. Jo tyngre et legeme er, jo dypere er fordypningen omkring det.

I Einsteins feltligninger kan fysikerne sette inn ulike størrelser og se hvilken effekt det har på romtiden. Hvis de for eksempel lar et veldig lite legeme ha en veldig stor masse, blir krummingen av romtiden så voldsom at legemet skaper en dyp brønn omkring seg – en såkalt tyngdebrønn.

Hvis dette legemet er enda mindre, slik at det praktisk talt ikke har noen romlig utstrekning, skjer det noe enda mer utrolig. Da blir tyngdebrønnen så dyp at Newtons klassiske tyngdelov ikke gjelder lenger.

Sentrum av en tyngdebrønn som er uendelig dyp, kalles en singularitet, og det er akkurat den situasjonen som opptrer i et svart hull.

Fakta om sorte hull

En partikkel som kommer for tett på et svart hull, blir sugd inn bak den såkalte hendelseshorisonten. Når det skjer, mister vi all kontakt med den. Vi kan ikke lenger se den eller på andre måter få noe høre om hva som skjer med den.

Einstein tvilte på sin egen teori

Det var den tyske fysikeren Karl Schwarzschild som først forsto at det faktisk kunne skje. Allerede i 1915 – samme år som Einstein utga sin generelle relativitetsteori – kastet Schwarzschild seg over feltligningene og fant løsninger som førte til singulariteter.

I flere tiår ble Schwarzschilds resultater betraktet som en matematisk kuriositet som ikke hadde noe med virkeligheten å gjøre. Selv Einstein trodde ikke de kunne eksistere. Så sent som i 1939 utga han en vitenskapelig artikkel der han gjennom sinnrike matematiske argumenter kom fram til følgende konklusjon:

«Resultatet av denne studien er en klar forståelse av hvorfor Schwarzschild-singulariteter ikke eksisterer i den fysiske virkeligheten.»

Einstein var altså skeptisk overfor følgene av sin egen teori. Og forståelig nok, for med singulariteten følger en lang rekke høyst merkelige konsekvenser.

Ting kan godt komme ut av et svart hull – både til overflaten av det og kanskje til et helt annet univers.
Stephen Hawking i en forelesning i 2015

I en singularitet er tyngdekraften så sterk at ingenting kan slippe unna, ikke engang lyset. Selv om lys ikke har noen masse, påvirkes det likevel av gravitasjonsfeltet. Lyset følger krummingene i romtiden, og derfor kan det bli fanget i tyngdebrønnen akkurat som materie som kommer for tett på.

Akkurat som en rakett må bruke en viss fart for å slippe ut av jordas gravitasjonsfelt (11 000 meter per sekund), må lys og materie ha høy fart for å komme seg ut av tyngdebrønnen omkring et svart hull. Fysikerne snakker om den såkalte unnslipningshastigheten.

Det er imidlertid en øvre grense for hvor mye fart noe kan ha i universet vårt. Ingenting kan bevege seg raskere enn lyset: 299 792 458 meter per sekund. Hvis noe er så tett på singulariteten at unnslipningshastigheten overstiger denne kosmiske fartsgrensen, vil det aldri kunne slippe unna.

Rundt et svart hull finnes det derfor en nøye avgrenset sfære der selv lyset ikke kan slippe ut.

Denne grensen kalles hendelseshorisonten, og alt det som måtte foregå innenfor denne grensen, vil vi aldri kunne se. Til gjengjeld er det masse som skjer rett utenfor horisonten.

Massetettheten får tiden til å stanse

Hvis vi forestiller oss at vi sender en romrakett inn mot et svart hull, vil det skje noe merkelig. Vi vil se raketten nærme seg det svarte hullet raskere og raskere, helt til den når hendelseshorisonten.

Fra dette tidspunktet mister vi enhver kontakt med den, og vi kan ikke se hva som skjer med den. Årsaken er at lyspartiklene ikke kan slippe ut gjennom hendelseshorisonten, og derfor er all informasjon om romskipets skjebne utilgjengelig for oss.

Men det er ikke bare lyset som oppfører seg merkelig i slike situasjoner. Tiden gjør også det.

Hvis raketten hadde en klokke med seg, ville den gå saktere og saktere, etter hvert som raketten nærmet seg det svarte hullet. Det gjelder uansett om det er snakk om en mekanisk klokke, en digital klokke eller en atomklokke.

Fysikerne kaller dette for tidsforlengelse, og det oppstår fordi massen i det svarte hullet ikke bare forvrenger rommet, men også romtiden, og det innebærer at selve tiden bokstavelig talt blir trukket ut. Helt inne i det svarte hullet går tiden helt i stå, og derfor kan et svart hull oppfattes som et hull i romtiden.

Når raketten fortsetter inn bak hendelseshorisonten og blir slukt av singulariteten, vil rakettens masse bli føyd til massen i det svarte hullet, som blir litt tyngre.

Det innebærer at hendelseshorisonten blir litt større, og det er slik et svart hull vokser. Jo mer masse det sluker, jo tyngre blir det, og jo større blir det området i rommet vi ikke kan få vite noe om.

De små er skapt av døde stjerner

Svarte hull med en masse fra fem til hundre solmasser er skapt av stjerner som har brent ut og kollapset. De finnes strødd ut i galaksene, også i Melkeveien.

De store fødes i nye galakser

Et svart hull som veier millioner eller kanskje milliarder ganger så mye som sola, kalles et supertungt svart hull. Det er skapt sammen med den galaksen det er sentrum i.

Alle disse konsekvensene følger direkte av Einsteins generelle relativitetsteori. De konkrete eksemplene ville imidlertid utspille seg litt annerledes i virkelighetens verden. Her er det nemlig andre forhold som også gjør seg gjeldende tett på hendelseshorisonten.

Det viktigste er det svarte hullets rotasjon. Hvis et svart hull roterer, har det stor betydning for hva som skjer med området like utenfor hendelseshorisonten.

I 1963 klarte den newzealandske matematikeren Roy Kerr å finne en nøyaktig løsning på Einsteins feltligninger for et roterende svart hull, og vi har derfor et godt bilde av dette fenomenet.

Astrofysikerne mener i dag at alle svarte hull har spinn, og det henger sammen med den måten de er dannet på. Svarte hull kan bare oppstå ved at en stor mengde materier kollapser under sin egen tyngdekraft. Det kan for eksempel skje når en stor stjerne har brukt opp alt drivstoffet sitt.

Så lenge stjernen holder i gang fusjonsprosessene, skaper den i sitt indre en utadrettet strålingskraft som motvirker tyngdekraften. Men så snart stjernen slukkes, får tyngdekraften fritt spillerom og presser materien i stjernen sammen.

Jo større masse stjernen har, jo sterkere er tyngdekraften, og jo mer kompakt blir restene av stjernen. Når vår egen sol brenner ut om om lag fem milliarder år i framtiden, vil tyngdekreftene slå i stykker atomene slik at elektronene forlater atomkjernene.

Materien vil dermed bli så kompakt at sola ender som en såkalt hvit dverg. Den er nemlig ikke tung nok til å ende som et svart hull.

En stjerne som veier flere ganger mer enn sola, blir mer kompakt når den brenner ut. Da er tyngdekraften så sterk at elektronene og atomkjernene smelter sammen og blir til nøytroner. Resultatet er en nøytronstjerne.

Enda større stjerner, mer enn fem ganger så tunge som sola, kan kollapse til enda mer kompakte himmellegemer. Da kan selv ikke nøytronene motstå presset, og resultatet blir et svart hull – akkurat slik som Eddington til sin egen store overraskelse regnet seg fram til i 1935.

Romtiden snurrer som en skøyteløper

Den kollapsende stjernen har en rotasjonsbevegelse som stammer fra den gangen stjernen ble dannet av roterende gasskyer. Og selv om materien presses sammen, bevares rotasjonen og blir faktisk enda raskere.

Det skyldes de samme fysiske lovene som en kunstløper bruker for å få til en rask piruett. Mens skøyteløperen holder armene ut til siden, er rotasjonen langsom, men så snart hun trekker armene inn til kroppen, blir den mye raskere. Slik er det også med svarte hull.

Ved hendelseshorisonten er rotasjonen så voldsom at alle partikler, selv lyspartikler, blir tvunget med i bevegelsen. Her kan ingenting stå stille, for det er faktisk selve romtiden som spinner rundt det svarte hullet.

Vi kan forestille oss at romtidens «duk» inne i tyngdebrønnen blir vridd med rundt singulariteten. Denne regionen kalles ergosfæren, og den er helt avgjørende for de fenomenene vi kan se utfolde seg omkring svarte hull.

Hvis vi sender noe inn mot et roterende svart hull, for eksempel en astronaut, vil vi oppleve et scenario som er mye mer dramatisk enn skøyteløperens piruett.

Tyngdepåvirkningen blir ekstremt mye sterkere for hver meter astronauten nærmer seg. Hvis han har beina forrest, blir kraften kraftigere her enn i hodet. Først blir føttene, så beina og siden resten av kroppen trukket ut til noe som ligner spagetti.

Samtidig blir rotasjonen i ergosfæren raskere og raskere mens han nærmer seg hendelseshorisonten, så kroppen blir trukket rundt i en spiral og vikler seg om det svarte hullet som spagetti på en gaffel. Til slutt suger det svarte hullet spagettien i seg, men på det tidspunktet har astronauten vår heldigvis for lengst sluttet å merke noe.

Og heldigvis er det bare et tenkt eksempel. I den virkeligheten vi kan se omkring svarte hull, er det støv, atomer og elementærpartikler det går utover. Det er mindre makabert, men minst like spektakulært.

All materie som nærmer seg et svart hull, blir tvunget inn i rotasjonen, slik at det dannes en skiveformet struktur. I fagspråket kalles det en akkresjonsskive.

Jo tettere stoffet kommer det svarte hullet, jo raskere beveger det seg rundt i akkresjonsskiven.

Rotasjonen forvandler materie til energi

Det er enorme mengder bevegelsesenergi i akkresjonsskiven, og det har fått astrofysikere til å spekulere over om det kanskje vil være mulig å trekke ut litt av energien og på den måten bruke et svart hull som en slags motor.

Fysikeren Roger Penrose var først ute med tanken i 1971. Ideen hans var at hvis man sendte materie mot et roterende svart hull på en måte som gjorde at litt av det ble kastet vekk igjen, så ville det ha mer energi enn da man startet.

Energien ville komme fra ergosfæren like utenfor hendelseshorisonten, og prosessen ville dermed svekke det svarte hullets rotasjon. I prinsippet kan man på denne måten høste gigantiske mengder energi fra svarte hull.

Penroses idé er bare et tankeeksperiment og ikke noen praktisk løsning på dagens energikrise, men tankene har inspirert andre astrofysikere til å se nærmere på dynamikken i den materien som virvler rundt i akkresjonsskiven rundt et svart hull.

Den materien som er tettest på hullet, har mer fart enn i litt større baner. Forskjellen i hastighet innebærer at det oppstår friksjonsmotstand, noe som senker farten litt på de innerste delene og øker den litt for delene lenger ute. Samtidig blir det utviklet varmeenergi som sendes ut som stråling.

Fakta om sorte hull

I det tomme rom kan to virtuelle partikler plutselig oppstå for deretter å utslette hverandre lynraskt igjen. Men hvis bare en av dem blir slukt av et svart hull, blir det rot i regnskapet. Det går bare opp hvis det svarte hullet har blitt lettere. Den som har blitt til overs, ser vi som hawkingstråling fra det svarte hullet.

Hvis det svarte hullet har veldig rask rotasjon, kan den indre ergosfæren bli så varmt at den sender ut røntgenstråling som svarer til temperaturer på ti millioner grader. Vi kjenner ikke noen annen prosess i universet som forvandler masse til energi like effektivt.

Omdanning av masse til energi skjer etter Einsteins berømte ligning E = mc2, der E står for energi, m for masse, og c er lyshastigheten. Beregninger viser at helt opptil 42 prosent av materien tett på et svart hull kan omsettes til energi på denne måten.

Prosessen er samtidig drivkraften bak et av de mest spektakulære fenomenene vi kan observere i universet: kvasarene. Kvasarer er de kraftigste varige energiutladningene vi kjenner til. De sender ut store mengder stråling på tvers av hele det elektromagnetiske spektrumet, altså fra langbølget radiostråling via synlig lys til kortbølget røntgenstråling.

Kvasarene skapes av store svarte hull som omsetter enorme mengder materie i sentrum av galakser langt unna vår egen.

Astronomene har gjennom de siste tiårene fått bedre muligheter for å studere strukturene omkring kvasarene takket være store radioteleskoper her på jorda og satellitter som Chandra, som måler i røntgenbølgeområdet.

Fra området like ved det svarte hullet skytes det ut to kraftige jetstrømmer som består av energirik plasma, altså partikler med elektrisk ladning, som er mindre enn atomer. De kan bevege seg nesten like raskt som lyset og rekke tusenvis av lysår ut i verdensrommet.

De to jetstrømmene skytes ut fra den innerste kanten av akkresjonsskiven, og det skjer vinkelrett på skiven både «oppover» og «nedover». Det er faktisk den samme strukturen astronomene kan se i forbindelse med de såkalte mikrokvasarene, som finnes rundt om i vår egen galakse. Mikrokvasarer er også drevet av svarte hull, men de er mye mindre.

Det svarte hullet i en mikrokvasar har en masse som svarer til en håndfull solmasser, og det er som regel skapt av en kollapsende stjerne. Til sammenligning kan en «ekte» kvasar ha et svart hull med en masse som er flere hundre millioner ganger større.

Oppdagelsene står i kø

Selv om de ikke kan se et svart hull direkte, gjør astronomene hele tiden nye oppdagelser om universets mest gåtefulle fenomen.

  • 2018

    Astronomer observerer for første gang et rap fra et svart hull – altså et kortvarig, men kraftig utslipp av gass fra den innerste delen av akkresjonsskiven.

  • 2017

    Det hittil eldste svarte hullet finnes i en kvasar som ligger 13 milliarder lysår fra jorda.

  • 2016

    Astronomer oppdager et ultratungt svart hull på 21 milliarder solmasser. Det er ny rekord.

  • 2015

    For første gang har forskere målt gravitasjonsbølger som følge av at to svarte hull smelter sammen – det skjer hundre år etter at Einstein publiserte sin generelle relativitetsteori, som nettopp forutsa bølger i romtiden.

  • 2014

    Forskere finner ut at kraftige jetstrømmer stammer fra svarte hulls egen rotasjon.

Svarte hull mangler manerer

Studier av kvasarer og mikrokvasarer endrer på det tradisjonelle bildet av et svart hull som et legeme som sluker alt rundt seg. Astrofysikerne mener i dag at det bare er en brøkdel av stoffet som trekkes inn mot et svart hull, som ender med å bli slukt.

Noen mener det er omkring ti prosent, andre at det er en noe større andel, og ellers varierer det antagelig fra hull til hull. Det er imidlertid enighet om at en veldig stor del av materien ikke rekker å komme inn bak hendelseshorisonten, men blir slynget vekk fra akkresjonsskiven eller spyttet ut som plasma i de kraftige jetstrømmene. Så selv om svarte hull er grådige, kan man si at de ikke har så gode bordmanerer.

Et svart hull kan godt være stort uten at det ender som kvasar. Det gjelder for eksempel det svarte hullet som finnes i hjertet av Melkeveien. Ved å studere banene til stjerner som ligger relativt tett på Melkeveiens sentrum, kan man regne seg fram til hvor stor masse som er samlet i hullet.

Regnestykket krever at man kjenner den såkalte spektralklassen på stjernene og dermed hvor tunge de er. Hvis man samtidig kjenner kurs og hastighet, er det ganske enkelt å komme fram til et resultat. Uavhengige forskergrupper har gjort dette flere ganger, slik at vi i dag er ganske sikre på at det svarte hullet i midten av Melkeveien veier litt mer enn fire millioner ganger så mye som sola.

Det svarte hullet i midten av Melkeveien og de svarte hullene vi ser som kvasarer i sentrum av fjerne galakser, er ikke skapt av kollapsende stjerner. Astrofysikerne mener at disse såkalt supertunge svarte hullene er dannet samtidig med at galaksene omkring dem har tatt form.

Det innebærer at svarte hull ikke bare er spektakulære fenomener i den kosmiske tidsalderen vi befinner oss i nå, men at de har vært en drivende kraft bak utviklingen av det universet vi kjenner.

Fysikere savner tapt informasjon

Det er stor forskjell på hvor aktive de svarte hullene i midten av galakser er. Det svarte hullet midt i Melkeveien er ganske stillferdig, og det trekker antagelig «bare» til seg en mengde materie som svarer til omkring 300 jordkloder i året.

Hva som skjer med det som blir slukt av det svarte hullet, kan vi ikke vite, fordi ikke engang lys kan slippe ut – og dermed kan ikke informasjon slippe ut. Vi kan derfor heller ikke vite noe om hva det svarte hullet opprinnelig er lagd av.

Det eneste som karakteriserer et svart hull, er masse og rotasjon.

Den amerikanske fysikeren John Wheeler har uttrykt det slik: «Svarte hull har ikke noe hår». Bak den uttalelsen ligger den observasjonen at når vi skal karakterisere et annet menneske, kan håret fortelle mye om personen.

Fargen og strukturen kan si noe om alder og etnisk opprinnelse, frisyren noe om kjønn og kultur og så videre. Men svarte hull holder all informasjon om opprinnelse, innhold og historie fullt og helt skjult for oss.

Sorte hull har ikke hår. Det sa den amerikanske fysikeren John Wheeler om det forholdet at alle sorte hull er så like. Der er ikke noen forskjell på dem bortsett fra masse og spinn.

Nettopp informasjonstapet i svarte hull er et emne som har opptatt fysikere gjennom flere tiår. Holdningen har vært at i det øyeblikket noe slukes av et svart hull, er all informasjon om det gått tapt for oss for alltid. Men likevel. En teori framsatt av den britiske fysikeren Stephen Hawking har kanskje åpnet en dør på klem.

Bakgrunnen ligger i et fenomen som følger av «Heisenbergs usikkerhetsrelasjon». Det innebærer at det selv i det tomme rom, i absolutt vakuum, kan oppstå partikler av ingenting. Populært sagt kan det «lånes» energi nok til å skape en partikkel og en tilsvarende antipartikkel.

Øyeblikket etter utsletter de hverandre igjen, slik at energilånet betales tilbake. Denne aktiviteten foregår hele tiden, og vi kan faktisk måle den.

Men hva skjer hvis et slikt par virtuelle partikler skapes rett ved hendelseshorisonten til et svart hull? Og hvis den ene partikkelen blir slukt og den andre slipper unna før de rekker å utslette hverandre? Da har vi plutselig en situasjon der energilånet ikke kan betales tilbake.

Området utenfor det svarte hullet har fått en ekstra partikkel og har dermed blitt tilført energi. Så for at regnskapet skal gå opp, må den partikkelen som ble slukt, ha tilført det svarte hullet en tilsvarende mengde negativ energi. Og siden masse og energi er forbundet, som vi kjenner det fra den berømte ligningen E = mc2, er nettoresultatet at det svarte hullet har blitt tilført negativ masse og dermed har blitt mindre.

Når vi betrakter det svarte hullet på lang avstand, vil vi oppleve at det svarte hullet på denne måten sender ut partikler og derfor strengt tatt ikke er helt svart. Partiklene vil utgjøre det som kalles hawkingstråling.

Siden 1974, da Stephen Hawking framsatte teorien sin, har andre fysikere spekulert i at hawkingstrålingen kanskje kan bære informasjon om et svart hulls indre, og at vi langs den veien i prinsippet kan gjenskape
detaljene om alt det stoffet, som gjennom tiden har blitt slukt.

Faktisk ga spekulasjonene anledning til et berømt veddemål. Amerikaneren John Preskill mente at hawkingstrålingen kunne romme informasjonen, mens Hawking selv mente det var umulig. Men i 2004 hadde Hawking blitt overbevist om at Preskill hadde rett, så han valgte å innrømme nederlaget og sende Preskill premien: et baseballeksikon.

Diskusjonen er imidlertid slett ikke slutt med det. Ingen har klart å måle hawkingstråling fra et svart hull, så derfor kan vi heller ikke avgjøre om denne strålingen inneholder informasjon. Hvis hawkingstråling finnes, åpner den for øvrig også helt andre muligheter. Den vil nemlig innebære at svarte hull kan fordampe og med tiden forsvinne helt.

Et svart hull som ikke lenger tilføres materie utenfra, vil gjennom hawkingstråling gradvis miste masse og bli mindre og mindre og lettere og lettere for til slutt å ende livet med et stille «poff». Ifølge Hawkings teori vil prosessen skje raskere for små svarte hull enn for store.

Hawkings tanker er et godt eksempel på hvilke utfordringer den teoretiske fysikken tumler med. De teoretiske og matematiske mulighetene strekker seg ofte mye lenger enn det vi kan etterprøve med eksperimenter og observasjoner.

En fysisk teori kan være nokså besnærende, men senere vise seg å være helt feil fordi den bygger på feil forutsetninger. Omvendt kan en teori som virker eksotisk og strider mot all intuisjon, vise seg å være helt riktig.

Einsteins generelle relativitetsteori har nå gjennom et århundre gang på gang vist sin styrke, ikke minst gjennom spådommen om at det finnes svarte hull – selv om Einstein ikke trodde de fantes i virkeligheten.

Svarte hull er fysikkens lekeplass

I teorien kan et svart hull (1) være forbundet med et såkalt hvitt hull (2) et helt annet sted i universet. Det kalles et ormehull (3) og åpner muligheter for å ta en snarvei gjennom både tiden og rommet.

Relativitetsteorien er presset til det ytterste

Ligningene i Einsteins teori er veldig romslige og åpner muligheter som kan være vanskelige å akseptere.

Sammen med en av sine studenter, Nathan Rosen, fant Einstein for eksempel allerede på 1930-tallet fram til at romtiden teoretisk sett kunne krumme seg så mye at to områder som ligger veldig langt fra hverandre, kan bli forbundet av en liten bro, et såkalt ormehull.

Ideen har senere inspirert mange science fiction-forfattere til å la hovedpersonene sine krysse enorme avstander på veldig kort tid, og ormehull har på den måten vært kilden til de mest utrolige historier.

Hvis ormehull virkelig eksisterer og kan opprettholdes over tid, vil de faktisk ha noen ganske utrolige egenskaper. Ikke nok med at de gir muligheter for kosmiske snarveier gjennom rommet, de lar oss også å reise tilbake i tid.

Vi vil kunne bevege oss rundt i lukkede tidsringer der framtiden også er fortiden. Matematikeren Kurt Gödel beskrev allerede i 1949 et univers som inneholdt akkurat slike tidsringer, som gjentok de samme begivenhetene igjen og igjen i en endeløs syklus.

I en lukket tidsring ville det også være mulig å drepe sine egne besteforeldre før de fikk barn, og på den måten fører orme­hull og tidsringer alle de paradoksene som knytter seg til tidsreiser.

Det er ikke noe i relativitetsteorien som sier at ormehull er umulig, men det betyr ikke at de finnes i universet vårt. Kanskje er det noen fortsatt ukjente naturlover som rett og slett ikke tillater at de kan forekomme.

Stephen Hawking mente at det må være slik, og har kalt det en «antagelse om kronologiens beskyttelse». Typisk for Hawking har han samtidig kalt formodningen det prinsippet som gjør universet til et trygt sted å oppholde seg for historikere.

Relativitetsteorien åpner for at det i forbindelse med svarte hull kan finnes lukkede tidsringer hvor fortiden også er framtiden. I en tidsring vil du oppleve det samme igjen og igjen i all evighet.

Dermed er det ikke sagt at Hawking avviste eksotiske muligheter i universet – og slett ikke når det gjelder forestillinger om hva som foregår i svarte hull. Som han uttrykte det i en forelesning i 2015:

«Svarte hull er ikke så svarte som de ofte framstilles. De er ikke de evige fengslene vi en gang trodde de var. Ting kan komme ut av et svart hull – både til overflaten det og kanskje til et helt annet univers. Så hvis du havner i et svart hull, så ikke gi opp. Det er en vei ut.»

Det samme gjelder forhåpentligvis for astrofysikerne som strever etter å forstå de svarte hullenes innerste natur.

Foreløpig må vi innrømme at de svarte hullene ikke bare punkterer universet, men også kunnskapen vår om det. Einsteins relativitetsteori er presset til det ytterste når forskerne prøver å beskrive hva som foregår i singulariteten bak hendelseshorisonten.

De svarte hullene representerer både det aller største og det aller minste vi kan forestille oss: en ubegripelig sterk tyngdekraft samlet på et forsvinnende lite område i rommet. Akkurat her, i singulariteten, møter relativitetsteorien kvantemekanikken – de to store fysiske teoriene ingen foreløpig har klart å forene.

Øverst på astrofysikernes ønskeliste står en samlet teori om kvantegravitasjon som kan forbinde dem. Fram til dette ønsket blir oppfylt, vil de svarte hullene forbli universets største mysterium.

Les også:

Monsterhull
Svarte hull

Astronomer i villrede: Sort hull er altfor stort

6 minutter
Svarte hull

Nasa finner universets eldste sorte hull

2 minutter
Svarte hull

Svarte hull står for rekordstort sammenstøt

2 minutter

Logg inn

Feil: Ugyldig e-postadresse
Passord er påkrevd
VisSkjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klikk her

Ny bruker? Få adgang nå!