I de sammenfiltrede kamre med sorte huller kolliderer to grundlæggende teorier om vores verden. Eksisterer sorte huller virkelig? Det ser ud til, at ja. Kan de grundlæggende problemer, der opstår ved nærmere undersøgelse af sorte huller, løses? Ukendt. For at forstå, hvad forskere har at gøre med, bliver du nødt til at dykke lidt ind i historien med studiet af disse usædvanlige objekter. Og vi vil starte med det faktum, at af alle de kræfter, der findes i fysik, er der en, som vi slet ikke forstår: tyngdekraften.
Tyngdekraft er skæringspunktet mellem grundlæggende fysik og astronomi, grænsen, hvorpå to af de mest grundlæggende teorier, der beskriver vores verden, kolliderer: kvanteteori og Einsteins teori om rumtid og tyngdekraft, alias generel relativitet.
Sorte huller og tyngdekraft
Disse to teorier synes at være uforenelige. Og det er ikke engang et problem. De findes i forskellige verdener, kvantemekanik beskriver meget lille, og generel relativitet beskriver meget stor.
Det er først når man kommer til ekstremt små skalaer og ekstrem tyngdekraft, at de to teorier kolliderer, og på en eller anden måde viser sig, at en af dem er forkert. Under alle omstændigheder følger det af teorien.
Men der er et sted i universet, hvor vi faktisk kunne være vidne til dette problem, og måske endda løse det: kanten af et sort hul. Det er her vi møder den mest ekstreme tyngdekraft. Men der er et problem: ingen har nogensinde "set" et sort hul.
Salgsfremmende video:
Hvad er et sort hul?
Forestil dig, at alt dramaet i den fysiske verden udspiller sig i rumtidens teater, men tyngdekraften er den eneste kraft, der faktisk ændrer det teater, hvor det spilles.
Tyngdekraften styrer universet, men det er måske ikke engang en styrke i traditionel forstand. Einstein beskrev det som en konsekvens af deformation af rum-tid. Og måske passer det bare ikke ind i standardmodellen for partikelfysik.
Når en meget stor stjerne eksploderer i slutningen af sit liv, kollapser den inderste del under sin egen tyngdekraft, da der ikke længere er nok brændstof til at opretholde trykket mod tyngdekraften. Når alt kommer til alt er tyngdekraften stadig i stand til at udøve kraft, det ser ud som dette.
Materiet kollapser, og ingen kraft i naturen kan forlade dette kollaps.
Over en uendelig tid kollapser en stjerne ind i et uendeligt punkt: en singularitet, eller lad os kalde det et sort hul. Men i en begrænset tid vil naturligvis den stjernekerne kollapse i noget af endelige dimensioner og vil stadig have en enorm masse i et uendeligt lille område. Og det kaldes også et sort hul.
Sorte huller sutter ikke alt omkring
Bemærkelsesværdigt er ideen om, at et sort hul uundgåeligt vil suge alt ind i sig selv, forkert.
Uanset om du kredser om en stjerne eller et sort hul dannet af en stjerne, betyder det ikke noget, så længe massen forbliver den samme. God gammeldags centrifugalkraft og din vinkelmoment vil holde dig sikker og forhindre dig i at falde.
Det er kun, når du griber ind i dine raketbremser for at afbryde drejen, at du begynder at falde indad.
Så snart du begynder at falde i sorte huller, accelererer du gradvist til stadig højere hastigheder, indtil du endelig når lysets hastighed.
Hvorfor er kvante teori og generel relativitet uforenelige?
I øjeblikket går alt i stykker, da intet i overensstemmelse med den generelle relativitet kan intet bevæge sig hurtigere end lysets hastighed.
Lys er et underlag, der bruges i kvanteverdenen til at udveksle kræfter og transportere information til makrokosmos. Lys bestemmer, hvor hurtigt du kan forbinde årsag og virkning. Hvis du bevæger dig hurtigere end lys, kan du se begivenheder og ændre ting, før de sker. Og dette har to konsekvenser:
- På det punkt, hvor du når lysets hastighed ved at falde indad, er du også nødt til at flyve ud af dette punkt med en endnu højere hastighed, hvilket synes umuligt. Derfor vil konventionel fysisk visdom fortælle dig, at intet kan forlade et sort hul ved at bryde denne barriere, som vi også kalder "begivenhedshorisonten."
- Det følger også af dette, at de grundlæggende principper for bevarelse af kvanteinformation pludselig overtrædes.
Hvorvidt dette er sandt, og hvordan kan vi ændre teorien om tyngdekraft (eller kvantefysik) er spørgsmål, som mange fysikere leder efter svar på. Og ingen af os kan sige, hvilke argumenter vi vil ende med.
Findes sorte huller?
Naturligvis ville al denne spænding kun være berettiget, hvis sorte huller virkelig eksisterede i dette univers. Så findes de?
I det forrige århundrede er det endeligt bevist, at nogle binære stjerner med intense røntgenstråler faktisk er stjerner, der er kollapset i sorte huller.
Desuden finder vi ofte i centrum af galakser bevis for enorme, mørke massekoncentrationer. Dette kunne være supermassive versioner af sorte huller, sandsynligvis dannet ved sammenlægning af mange stjerner og gasskyer, som kastede sig ned i midten af galaksen.
Beviserne er stærke, men omstændighederne. Tyngdepunktbølger gjorde det muligt for os i det mindste at "høre" sammensmeltningen af sorte huller, men underskrivelsen af begivenhedshorisonten er stadig undvigende, og vi har aldrig "set" sorte huller indtil nu - de er simpelthen for små, for fjerne og i de fleste tilfælde for sorte.
Hvordan ser et sort hul ud?
Hvis du ser direkte ind i et sort hul, vil du se det mørkeste mørke, der kan tænkes.
Men de umiddelbare omgivelser i det sorte hul kan være lyse nok, da gasserne spiral indad - aftager på grund af modstanden fra de magnetiske felter, de bærer.
På grund af magnetisk friktion opvarmes gassen til enorme temperaturer på flere titusinder af milliarder grader og begynder at udsende ultraviolette og røntgenstråler.
Ultra-varme elektroner, der interagerer med magnetfeltet i gassen, begynder at producere intens radioemission. Således kan sorte huller gløde og kan være omgivet af en ring af ild, der udsender ved forskellige bølgelængder.
Ildring med et sort-sort center
Og alligevel, lige i midten, fanger begivenhedshorisonten, som en rovfugl, enhver foton, der kommer for tæt.
Da pladsen er krummet af det sorte huls enorme masse, bøjes lysstierne og danner endda næsten koncentriske cirkler omkring det sorte hul, som slange omkring en dyb dal. Denne ring af lyseffekt blev beregnet allerede i 1916 af den berømte matematiker David Hilbert, kun få måneder efter, at Albert Einstein afsluttede sin generelle relativitetsteori.
Efter at have krydset det sorte hul flere gange, kan nogle af lysstrålene komme ud, mens andre havner i begivenhedshorisonten. På denne komplicerede lyssti kan du bogstaveligt talt kigge ind i et sort hul. Og det "intet", der ser ud til dit blik, vil være begivenhedshorisonten.
Hvis du tog et billede af et sort hul, ville du se en sort skygge omgivet af en glødende tåge af lys. Vi kaldte denne funktion den sorte hulskygge.
Bemærkelsesværdigt ser denne skygge ud til at være større, end man kunne forvente, hvis vi tager diameteren på begivenhedshorisonten som dens oprindelse. Årsagen er, at det sorte hul fungerer som en kæmpe linse og forstærker sig selv.
Skyggemiljøet vil blive repræsenteret af en lille "fotonring" på grund af lyset, der hvirvler rundt om det sorte hul næsten for evigt. Derudover vil du se flere ringe af lys vises tæt på begivenhedshorisonten, men koncentrere dig omkring det sorte huls skygge på grund af linsevirkningen.
Fantasi eller virkelighed?
Kunne et sort hul være en reel opfindelse, der kun kan modelleres på en computer? Eller kan du se det i praksis? Svar: det er muligt.
Der er to relativt nærliggende, supermassive sorte huller i universet, der er så store og tæt, at deres skygger kan indfanges ved hjælp af moderne teknologi.
I midten af vores Mælkevej er der sorte huller 26.000 lysår væk med en masse 4 millioner gange solens masse og et sort hul i den gigantiske elliptiske galakse M87 (Messier 87) med en masse på 3-6 milliarder solmasser.
M87 er tusind gange længere væk, men tusind gange mere massiv og tusind gange større, så begge objekter vil have omtrent den samme diameter af en skygge, der projiceres på himlen.
Se et korn med sennep i New York fra Europa
Ved en tilfældighed forudsiger enkle strålingsteorier, at for begge objekter vil stråling, der genereres nær begivenhedshorisonten, blive udsendt ved radiofrekvenser på 230 Hz og derover.
De fleste af os støder kun på disse frekvenser, når vi skal gennem en scanner i en moderne lufthavn. Sorte huller svømmer konstant i dem.
Denne stråling har en meget kort bølgelængde - i størrelsesordenen en millimeter - som let optages af vand. For at teleskopet skal observere kosmiske millimeterbølger, skal det placeres højt på et tørt bjerg for at undgå at absorbere stråling i jordens troposfære.
Grundlæggende har vi brug for et millimeter-teleskop, der kan se et objekt på størrelse med et sennepsfrø i New York et eller andet sted i Holland. Dette teleskop vil være tusind gange skarpere end Hubble-rumteleskopet, og ved millimeterbølgelængder vil størrelsen på et sådant teleskop være Atlanterhavet eller større.
Et virtuelt teleskop på størrelse med Jorden
Heldigvis behøver vi ikke at dække jorden med en enkelt radioskål, fordi vi kan bygge et virtuelt teleskop med den samme opløsning, der kombinerer data fra teleskoper i forskellige bjerge rundt om jorden.
Denne teknik kaldes åbningssyntese og meget lang grundlæggende interferometri (VLBI). Ideen er ret gammel og bevist gennem flere årtier, men først nu er det blevet muligt at anvende den ved høje radiofrekvenser.
De første succesrige eksperimenter viste, at strukturerne i begivenhedshorisonten kan undersøges ved sådanne frekvenser. Nu er der alt hvad du har brug for for at gennemføre et sådant eksperiment i stor skala.
Arbejdet er allerede i gang
BlackHoleCam-projektet er et europæisk projekt til det ultimative billede, måling og forståelse af astrofysiske sorte huller. Det europæiske projekt er en del af et globalt samarbejde - Event Horizon Telescope-konsortiet, der inkluderer mere end 200 forskere fra Europa, Amerika, Asien og Afrika. Sammen ønsker de at tage det første billede af et sort hul.
I april 2017 observerede de det galaktiske centrum og M87 med otte teleskoper på seks forskellige bjerge i Spanien, Arizona, Hawaii, Mexico, Chile og Sydpolen.
Alle teleskoper var udstyret med præcise atomur til nøjagtigt synkronisering af deres data. Forskere registrerede flere petabytes med rå data takket være overraskende gode vejrforhold verden over på det tidspunkt.
Foto af et sort hul
Hvis forskere formår at se begivenhedshorisonten, vil de vide, at de problemer, der opstår i forbindelse med kvanteteorien og den generelle relativitet, ikke er abstrakte, men meget reelle. Måske er det, når de kan løses.
Dette kan gøres ved at få klarere billeder af skyggerne af sorte huller eller ved at spore stjerner og pulsarer på vej rundt om sorte huller ved hjælp af alle tilgængelige metoder til at studere disse objekter.
Måske er det sorte huller, der bliver vores eksotiske laboratorier i fremtiden.
Ilya Khel