Sorte huller er måske de mest mystiske objekter i universet. Medmindre naturligvis ting er skjult et eller andet sted i dybet, hvis eksistens vi ikke kender og ikke kan vide, hvilket er usandsynligt. Sorte huller er kolossal masse og tæthed, komprimeret til et punkt i en lille radius. Disse objekters fysiske egenskaber er så mærkelige, at de pusler de mest sofistikerede fysikere og astrofysikere. Sabine Hossfender, en teoretisk fysiker, udarbejdede et udvalg af ti fakta om sorte huller, som alle burde vide.
Hvad er et sort hul?
Den definerende egenskab ved et sort hul er dens horisont. Dette er en grænse, ud over hvilken intet, ikke engang lys, kan vende tilbage. Hvis et fritliggende område løsrives for evigt, taler vi om en "begivenhedshorisont". Hvis det kun er midlertidigt adskilt, taler vi om den "synlige horisont." Men denne "midlertidige" kunne også betyde, at regionen vil blive adskilt meget længere end universets nuværende tidsalder. Hvis det sorte huls horisont er midlertidig, men langvarig, er forskellen mellem det første og det andet sløret.
Hvor store er sorte huller?
Du kan forestille dig et sort huls horisont som en kugle, og dens diameter vil være direkte proportional med massen af det sorte hul. Derfor, jo mere masse falder ned i det sorte hul, jo større bliver det sorte hul. Sammenlignet med stjernegenstande er sorte huller dog små, fordi masse komprimeres i meget små volumener under indflydelse af uimodståeligt tyngdekraftstryk. Radien af et sort hul med en masse på planeten Jorden er for eksempel kun få millimeter. Dette er 10.000.000.000 gange mindre end Jordens nuværende radius.
Salgsfremmende video:
Radien af et sort hul kaldes Schwarzschild-radius efter Karl Schwarzschild, der først udledte sorte huller som en løsning på Einsteins generelle relativitetsteori.
Hvad sker der i horisonten?
Når du krydser horisonten, sker der ikke noget særligt omkring dig. Alt på grund af Einsteins ækvivalensprincip, hvorfra det følger, at du ikke kan finde forskellen mellem accelerationen i fladt rum og tyngdefeltet, der skaber rumets krumning. Imidlertid vil en observatør væk fra det sorte hul, der ser en anden falde i det, bemærke, at personen bevæger sig mere og langsommere og nærmer sig horisonten. Som om tiden bevæger sig langsommere nær begivenhedshorisonten end langt fra horisonten. Der vil dog gå noget tid, og observatøren, der falder ned i hullet, krydser begivenhedshorisonten og finder sig inde i Schwarzschild-radiusen.
Hvad du oplever i horisonten afhænger af tyngdekraftens tidevandskræfter. Tidevandskræfterne i horisonten er omvendt proportionale med kvadratet i det sorte huls masse. Dette betyder, at jo større og mere massivt det sorte hul er, jo mindre kraft. Og hvis kun det sorte hul er massivt nok, kan du krydse horisonten, før du overhovedet bemærker, at der sker noget. Effekten af disse tidevandskræfter vil strække dig: det tekniske udtryk, som fysikere bruger om dette, er spaghettificering.
I de tidlige dage med generel relativitet blev det antaget, at der var en unikhed i horisonten, men dette viste sig ikke at være tilfældet.
Hvad er der inde i et sort hul?
Ingen ved med sikkerhed, men bestemt ikke bogreolen. Generel relativitetsteori forudsiger, at der er en singularitet i et sort hul, et sted, hvor tidevandskræfter bliver uendeligt store, og når du først har passeret begivenhedshorisonten, kan du ikke gå andre steder end ind i singulariteten. Derfor er det bedre ikke at bruge generel relativitet på disse steder - det virker simpelthen ikke. For at fortælle hvad der sker inde i et sort hul, har vi brug for en teori om kvantegravitation. Det er almindeligt accepteret, at denne teori vil erstatte singulariteten med noget andet.
Hvordan dannes sorte huller?
Vi kender i øjeblikket fire forskellige måder, hvorpå der dannes sorte huller. Bedst forstået er forbundet med stjernekollaps. En stor nok stjerne danner et sort hul, efter at dets nukleare fusion stopper, fordi alt, hvad der allerede kunne syntetiseres, er blevet syntetiseret. Når trykket skabt af fusion ophører, begynder stof at falde mod sit eget tyngdekraftscenter og bliver mere og mere tæt. I sidste ende bliver det så tæt, at intet kan overvinde gravitationseffekten på stjernens overflade: sådan fødes et sort hul. Disse sorte huller kaldes "solmasse sorte huller" og er de mest almindelige.
Den næste almindelige type sorte hul er "supermassive sorte huller", som kan findes i centrum af mange galakser og har masser omkring en milliard gange så meget som solsorte huller. Det vides endnu ikke med sikkerhed nøjagtigt, hvordan de dannes. Det antages, at de engang begyndte som sorte huller med solmasse, der forbrugte mange andre stjerner i tætbefolkede galaktiske centre og voksede. Imidlertid ser de ud til at absorbere stof hurtigere end denne enkle idé antyder, og hvor præcist de gør det er stadig et genstand for forskning.
En mere kontroversiel idé var oprindelige sorte huller, som kunne have været dannet af næsten enhver masse i store tæthedsudsving i det tidlige univers. Selvom det er muligt, er det svært at finde en model, der producerer dem uden at overskabe dem.
Endelig er der den meget spekulative idé om, at der kunne dannes små sorte huller med masser tæt på Higgs boson ved Large Hadron Collider. Dette fungerer kun, hvis vores univers har ekstra dimensioner. Indtil videre har der ikke været nogen bekræftelse til fordel for denne teori.
Hvordan ved vi, at der findes sorte huller?
Vi har en masse observationsbeviser for kompakte genstande med store masser, der ikke udsender lys. Disse objekter giver sig væk ved tyngdekraft, for eksempel på grund af bevægelse af andre stjerner eller gasskyer omkring dem. De skaber også gravitationslinser. Vi ved, at disse objekter ikke har en solid overflade. Dette følger af observationer, fordi stof, der falder på et objekt med en overflade, bør forårsage frigivelse af flere partikler end stof, der falder gennem horisonten.
Hvorfor sagde Hawking sidste år, at sorte huller ikke findes?
Han mente, at sorte huller ikke har en evig begivenhedshorisont, men kun en midlertidig tilsyneladende horisont (se afsnit 1). I streng forstand betragtes kun begivenhedshorisonten som et sort hul.
Hvordan udsender sorte huller stråling?
Sorte huller udsender stråling på grund af kvanteeffekter. Det er vigtigt at bemærke, at dette er kvanteeffekter af stof, ikke kvanteeffekter af tyngdekraften. Den dynamiske rumtid for et sort hul, der kollapser, ændrer selve definitionen af en partikel. Ligesom tidens forløb, der forvrænges nær et sort hul, er begrebet partikler for afhængigt af observatøren. Især når en observatør, der falder i et sort hul, mener, at han falder i et vakuum, mener en observatør langt fra det sorte hul, at dette ikke er et vakuum, men et rum fyldt med partikler. Det er strækningen af rumtid, der forårsager denne effekt.
Først opdaget af Stephen Hawking, kaldes strålingen, der udsendes af et sort hul, Hawking-stråling. Denne stråling har en temperatur omvendt proportional med massen af det sorte hul: jo mindre det sorte hul, jo højere temperatur. De stellare og supermassive sorte huller, som vi kender, har temperaturer langt under temperaturen i mikrobølgebaggrunden og observeres derfor ikke.
Hvad er et informationsparadoks?
Paradokset for tab af information er forårsaget af Hawking-stråling. Denne stråling er rent termisk, det vil sige, den har kun en tilfældighedstemperatur og af visse egenskaber. Strålingen i sig selv indeholder ingen oplysninger om, hvordan det sorte hul blev dannet. Men når et sort hul udsender stråling, mister det masse og trækker sig sammen. Alt dette er helt uafhængigt af det stof, der blev en del af det sorte hul, eller hvorfra det blev dannet. Det viser sig, at man kun kender den endelige fordampningstilstand, og man kan ikke sige ud fra, hvad det sorte hul blev dannet. Denne proces er "irreversibel" - og fangsten er, at der ikke er nogen sådan proces i kvantemekanik.
Det viser sig, at fordampningen af et sort hul er uforenelig med kvanteteorien, som vi kender den, og der skal gøres noget ved det. Fjern en eller anden måde inkonsekvensen. De fleste fysikere mener, at løsningen er, at Hawking-stråling på en eller anden måde skal indeholde information.
Hvad foreslår Hawking for at løse informationsparadoxet i det sorte hul?
Tanken er, at sorte huller skal have en måde at gemme information, der endnu ikke er accepteret. Oplysninger lagres i horisonten af et sort hul og kan forårsage små forskydninger af partikler i Hawking-stråling. I disse små forskydninger kan der være oplysninger om den fangede sag. De nøjagtige detaljer om denne proces er i øjeblikket uklare. Forskere afventer et mere detaljeret teknisk papir fra Stephen Hawking, Malcolm Perry og Andrew Strominger. De siger, at det vises i slutningen af september.
I øjeblikket er vi sikre på, at der findes sorte huller, vi ved, hvor de er, hvordan de dannes, og hvad de i sidste ende bliver. Men detaljerne om, hvor informationen går til dem, repræsenterer stadig et af de største mysterier i universet.
Ilya Khel
