Har forskarna verkligen funnit svarta hål?

DET är nästan som science fiction — stjärnor som en gång i tiden lyste klart blir osynliga, krossade av sin egen dragningskraft, och ingenting, inte ens ljuset, kan ta sig ur deras grepp. Många astronomer tror att sådana svarta hål kan vara mycket vanligt förekommande i universum. Skulle du vilja veta mer om dem? Skildringen börjar i den vackra nordliga stjärnbilden Cygnus, som betyder ”Svanen”.

Cygnus X-1 — ett svart hål?

Sedan 1960-talet har astronomer varit intresserade av ett särskilt område i stjärnbilden Cygnus. Observatorier, som skickats upp och som kretsar ovanför jordens atmosfär, upptäckte i det här området en kraftig röntgenkälla som kallas Cygnus X-1.

Forskare har länge känt till att ju hetare ett föremål är, desto mer energi avger det — med kortare och energirikare elektromagnetiska våglängder. Om man värmer upp en bit järn i en mycket het ugn, kommer järnet, allteftersom det blir hetare, först att glöda rött, sedan gult och därefter vitt. Stjärnor är i det avseendet som järnstänger. Stjärnor som är förhållandevis svala, omkring 3.000 K, har en rödaktig färg, medan gula stjärnor, sådana som solen, har en yttemperatur på närmare 6.000 K.a Men man skulle behöva hetta upp stjärngas till flera miljoner kelvin för att få en sådan röntgenstrålning som kommer från Cygnus X-1. Ingen stjärna har en så hög yttemperatur.

Där Cygnus X-1 befinner sig har astronomer funnit en stjärna med en yttemperatur som beräknas uppgå till 30.000 K — det är mycket hett men långt ifrån så hett som det måste vara för att det skall kunna bildas röntgenstrålar. Den här stjärnan, som har beteckningen HDE 226868, antas ha 30 gånger så stor massa som solen och vara belägen 6.000 ljusår från jorden. Denna superjätte har en följeslagare, och dessa två rör sig i banor som är beroende av varandra och gör ett varv på 5,6 dagar, och forskare beräknar att det bara är några miljoner kilometer mellan dem. Enligt vissa källor har följeslagaren omkring tio gånger så stor massa som solen. Men det är något mycket underligt med ”kamraten” — den är osynlig. På ett sådant avstånd från jorden skulle ingen normal stjärna som är så stor egentligen vara osynlig. Enligt forskarna kan ett objekt med en sådan massa och som framträder genom att sända ut röntgenstrålning men inget synligt ljus mycket väl vara ett svart hål.

Resa till ett svart hål

Föreställ dig att du skulle kunna resa till Cygnus X-1. Om det verkligen är ett svart hål, skulle det du ser mycket väl kunna se ut som illustrationen på sidan 17 visar. Den stora stjärnan är HDE 226868. Den har en diameter på flera miljoner kilometer, medan det svarta hålet kanske inte är mer än 60 kilometer i diameter. Den lilla svarta pricken i mitten av strömvirveln av glödande gas är det svarta hålets händelsehorisont, eller begränsningsyta. Det är dock ingen fast yta, utan mer som en skugga, vilken utgör kanten på det område där dragningskraften runt det svarta hålet är så stark att inte ens ljuset kan lämna det. Många forskare tror att innanför denna horisont, i centrum av det svarta hålet, finns det en kärna utan någon volym men med en oändlig densitet, en singularitet, och in i denna har all materia i det svarta hålet försvunnit.

Det svarta hålet tömmer sin följeslagare på dess yttre gasskikt. Gasen från stjärnan bildar en glödande skiva när den i spiral rör sig allt snabbare runt det svarta hålet och hettas upp av friktionen. Skivan av superupphettad gas frambringar röntgenstrålar precis utanför det svarta hålet, då gasen, på grund av den mycket stora dragningskraften, accelererar till otroliga hastigheter. Naturligtvis kan inga röntgenstrålar — och inget annat heller — lämna det svarta hålet, när gasen väl har hamnat där.

Cygnus X-1 är praktfull att se, men kom inte för nära den! Inte bara röntgenstrålarna är dödliga — dragningskraften är också det. Om man står på jorden, är det en obetydlig skillnad mellan hur gravitationskraften påverkar huvudet respektive fötterna. Denna skillnad ger upphov åt en liten dragning som inte alls känns. Men på Cygnus X-1 är denna skillnad 150 miljarder gånger större och ger upphov åt en kraft som i själva verket skulle sträcka ut din kropp, som om osynliga händer skulle dra dina fötter åt ett håll och ditt huvud åt ett annat!

Cygnus A — ett supermassivt svart hål?

Det finns ett annat gåtfullt område i stjärnbilden Cygnus. Området ser ut att innehålla enbart en svagt lysande avlägsen galax, men den sänder ut några av stjärnhimlens starkaste radiovågor. Cygnus A kallas denna radiokälla, och alltsedan den upptäcktes för över 50 år sedan har den förbryllat forskarna.

Avstånden som gäller Cygnus A är ofattbart stora. Cygnus X-1 finner vi i vår egen galax, bara några tusen ljusår bort, medan Cygnus A däremot antas befinna sig flera hundra miljoner ljusår härifrån. Det är bara omkring en ljusminut mellan Cygnus X-1 och dess synliga följeslagare, men mellan de plymer som bildats under inverkan av de två radiovågsstrålarna i Cygnus A skiljer det hundratusentals ljusår.b Uppenbarligen är det någonting i centrum av Cygnus A som, likt ett slags kosmisk strålkanon, har skjutit i väg dessa intensiva energistrålar åt var sitt håll i hundratusentals, ja kanske miljoner år. Detaljerade radiokartor över centrum av Cygnus A visar att jämfört med radiovågsstrålarna är själva ”strålkanonen” mycket liten, mindre än en ljusmånad stor. Om denna ”kanon” hade skakat under hela den tid då strålarna sköts i väg, skulle de ha blivit krokiga. Men de mystiska strålarna är helt raka, som om ”strålkanonen” som skjutit i väg dem hade blivit stabiliserad av ett enormt gyroskop.

Vad är det då som ligger bakom detta fenomen? ”Av alla de teorier som framkom i början av 1980-talet om vad som skulle kunna vara den centrala drivkraften till dessa energistrålar”, skriver professor Kip S. Thorne, ”är det bara en som tar med tanken på ett mycket bra gyroskop, som har långt liv, är mindre än en ljusmånad och har förmåga att alstra kraftfulla strålar. Denna ovanliga teori gick ut på att det måste röra sig om ett gigantiskt, snurrande svart hål.”

Fler misstankar om svarta hål

År 1994 tog rymdteleskopet Hubble, som precis hade blivit reparerat, en närmare titt på ”granngalaxen” M87, som beräknas vara belägen 50 miljoner ljusår bort. Med modernare optik upptäckte Hubble i centrum av M87 en strömvirvel av gas, som snurrade runt ett objekt med den häpnadsväckande hastigheten av 2 miljoner kilometer i timmen. Vad var det som gjorde att gasen rörde sig med en sådan fart? Beräkningar visade att föremålet inne i strömvirveln måste ha en massa motsvarande två miljarder solar. Men detta föremål har pressats in i ett ”litet” utrymme av samma storlek som vårt solsystem. Det enda i forskarnas tankevärld som passar in på den här beskrivningen är ett mycket massivt svart hål.

Man har nu upptäckt vad man tror kan vara svarta hål i centrum av ett antal närbelägna galaxer, däribland vår ”närmaste” granne, Andromedagalaxen, som bara är omkring två miljoner ljusår bort. Men det kan finnas ett enormt svart hål ännu närmare än Andromedagalaxen! Nyligen gjorda observationer visar att ett kolossalt svart hål mycket väl kan finnas i centrum av vår egen galax, Vintergatan. Någonting i ett litet område och med en massa som beräknas motsvara 2,4 miljoner solar får stjärnorna nära centrum av vår galax att kretsa kring det med enorma hastigheter. Fysikern Thorne konstaterar: ”Under 1980-talet kom det allt fler bevis för att sådana svarta hål finns, inte bara i kärnan på de flesta kvasarer och radiogalaxer, utan också i kärnan på de flesta stora och normala galaxer (som inte är radiogalaxer), som Vintergatan och Andromedagalaxen.”

Har forskarna verkligen upptäckt svarta hål? Det är möjligt. Säkert är att de i stjärnbilden Cygnus och på andra håll har upptäckt några mycket ovanliga objekt, som lättast kan förklaras som svarta hål. Men nya fakta kan också leda till att allmänt accepterade teorier ifrågasätts.

För över 3.500 år sedan ställde Gud följande fråga till Job: ”Har du lärt känna himlarnas stadgar?” (Job 38:33) Trots de imponerande framsteg som gjorts inom vetenskapen är den frågan fortfarande aktuell. När allt kommer omkring är det så att när människan tror att hon förstår universum, då gör en ny, oväntad observation att noggrant uppbyggda teorier kullkastas. Men under tiden kan vi med förundran blicka upp mot stjärnbilderna och njuta av deras skönhet!

[Fotnoter]

[Ruta på sidorna 16, 17]

Vad skulle kunna ge upphov åt ett svart hål?

DET vetenskapen känner till i dag är att stjärnor lyser på grund av en ändlös kamp mellan gravitationen och krafter som frigörs i kärnreaktioner. Om inte gravitationskraften pressade samman gasen djupt inne i stjärnan, skulle inga kärnfusioner kunna äga rum. Men om inte dessa fusioner motverkar dragningskraften, kan mycket märkliga saker hända med stjärnorna.

Forskarna tror att när stjärnor som är ungefär lika stora som vår sol gör slut på sitt kärnbränsle, bestående av väte och helium, pressar gravitationen samman stjärnorna till heta slaggklumpar, ungefär lika stora som jorden, och dessa klumpar kallas vita dvärgar. En vit dvärg kan ha lika stor massa som solen, men denna massa är sammanpressad i ett utrymme som är en miljon gånger mindre.

Man kan tänka sig vanlig materia i huvudsak som tomrum, där nästan all massa hos varje atom finns koncentrerad i en liten kärna, omgiven av ett mycket större moln av elektroner. Men inne i en vit dvärg pressar gravitationen samman elektronmolnet till bara en bråkdel av dess ursprungliga volym och krymper därigenom stjärnan till en planets storlek. För de stjärnor som är ungefär lika stora som vår sol blir det i det här skedet så att dragningskraften och elektronernas krafter motverkar varandra, vilket hindrar stjärnan från att ytterligare pressas ihop.

Men hur är det då med stjärnor med större gravitation, sådana som alltså är tyngre än solen? I stjärnor som har en massa som är mer än 1,4 gånger så stor som solens är gravitationen så stark att elektronmolnet blir utplånat. Därefter slås protoner och elektroner ihop till neutroner. Neutronerna förhindrar att stjärnan pressas samman ytterligare, förutsatt att dragningskraften inte är för stark. Resultatet blir inte en vit dvärg med en planets storlek, utan en neutronstjärna, som har samma storlek som en liten asteroid. Neutronstjärnor har, så vitt man vet, den tätaste massan av alla himlakroppar.

Men vad händer om gravitationen blir ännu starkare? Forskarna tror att i stjärnor som har cirka tre gånger så stor massa som solen är gravitationen för stark för att neutronerna skall kunna stå emot. Inget slag av materia som fysikerna känner till kan stå emot all denna samlade gravitationskraft. Det verkar som om denna neutronboll, stor som en asteroid, pressas samman, inte bara till en mindre boll, utan till ingenting, till en punkt som kallas en singularitet eller till ett tillstånd som man ännu inte kan beskriva och som bara existerar i teorin. Det verkar som om stjärnan sedan försvinner, och där den förut var belägen lämnar den kvar endast sin gravitation samt ett svart hål. Den ursprungliga stjärnan, menar man, ersätts av ett svart hål, en skugga där gravitationen är så stark att ingenting — inte ens ljuset — kan komma ut.

[Bilder på sidan 16]

I stjärnbilden Cygnus finns bland annat Nordamerikanebulosan (1) och Slöjnebulosan (2). Cygnus X-1 (3) är belägen en bit ner på svanens hals

Cygnus (Svanen)

[Bildkälla]

Tony och Daphne Hallas/Astro Photo

Tony och Daphne Hallas/Astro Photo

[Bilder på sidan 17]

Cygnus X-1 i teorin

Svarta hål upptäcks genom att de påverkar andra himlakroppar. Den här illustrationen visar hur gaser från en stjärna dras in i ett svart hål

Ett svart hål som en konstnär föreställer sig det (i den röda rektangeln) och en förstoring av det (nedan)

[Bildkälla på sidan 14]

Einstein: U.S. National Archives photo