svart hull

Ifølge relativitetsteorien vil all massen i et svart hull være samlet i et punkt uten utstrekning med et svært sterkt gravitasjonsfelt, en såkalt singularitet.

Det sterke gravitasjonsfeltet rundt en singularitet blir svakere når avstanden til singulariteten øker. Ut til en viss avstand fra singulariteten er gravitasjonen så sterk at ikke noe kan unnslippe. Hvis et objekt eller en lysstråle skulle komme innenfor denne avstanden, vil det være fortapt og raskt bli trukket inn til singulariteten. Gravitasjonsfeltet like utenfor denne grensen er også sterkt, men her er det mulig å unnslippe. Denne grensen mellom hvor det er (teoretisk) mulig å unnslippe gravitasjonskreftene fra et svart hull, og hvor det er umulig å unnslippe, kalles hendelseshorisonten. Selv om all massen til det svarte hullet er konsentrert i ett punkt i sentrum, er det vanlig å si at hendelseshorisonten angir størrelsen av det svarte hullet.

Med bakgrunn i generell relativitetsteori utviklet den tyske astronomen Karl Schwarzschild i 1916 den første matematiske beskrivelsen av et svart hull. Denne såkalte Schwarzschild-løsningen av de matematiske ligningene i relativitetsteorien beskriver et statisk svart hull uten elektrisk ladning eller bevegelsesmengde.

Størrelsen på dette enkleste av alle svarte hull er gitt ved Schwarzschild-radien, som sier at avstanden fra singulariteten ut til hendelseshorisonten er proporsjonal med massen som er samlet i singulariteten i det svarte hullet.

For et svart hull som er dannet ved kollaps av en stjerne med samme masse som Sola, som i utgangspunktet har en radius på over en halv million kilometer, er Schwarzschild-radien så liten som tre kilometer.

Utover 1950- og 1960-tallet var det mange fysikere og matematikere som jobbet videre med relativitetsteorien for å beskrive mer generelle svarte hull enn det enkle til Schwarzschild. Matematikeren Roy Kerr (født 1934) fant løsningen for et roterende svart hull, og fysikeren Ezra Newman (1929–2021) fant løsningen for et svart hull som både roterer og har elektrisk ladning.

Det berømte teoremet no hair theorem sier at et svart hull kan beskrives fullstendig kun med de tre fysiske egenskapene masse, elektrisk ladning og spinn. Dette betyr at svarte hull ikke har noen rik struktur, slik for eksempel planeter og stjerner har. Når man sier at «svarte hull ikke har hår», er dette en metafor for denne mangelen på struktur. No hair-teoremet er ikke matematisk bevist, og er derfor strengt tatt ikke et teorem i matematisk forstand.

I 1974 publiserte den teoretiske fysikeren Stephen Hawking et bevis for at svarte hull likevel kan sende ut elektromagnetisk stråling, på grunn av kvantemekaniske effekter ved hendelseshorisonten. Denne strålingen, som har fått navnet Hawking-stråling, er ikke blitt observert.

Hawking-stråling vil, hvis den eksisterer, gjøre at svarte hull mister energi og får mindre masse med tiden. Dette kalles fordampning av svarte hull, fordi det vil føre til at svarte hull som ikke får tilført masse på andre måter, med tiden mister all sin masse og forsvinner. Prosessen tar imidlertid svært lang tid, selv for svarte hull som i utgangspunktet hadde masse tilsvarende kun én stjerne. Et svart hull med masse som Sola vil bruke enormt lang tid, 10 ⁶⁴ år, på å bli helt borte. Et svært lite svart hull, et mikroskopisk svart hull, vil derimot fordampe i løpet av en brøkdel av et sekund.

Et svart hull med masse tilsvarende masse til en stjerne dannes ved at et objekt, for eksempel en stor stjerne, kollapser inn i seg selv. En slik kollaps vil også forårsake at stjernen eksploderer i en supernovaeksplosjon. All massen som opprinnelig var i stjernen, og som ikke blir slynget ut i verdensrommet av eksplosjonen, blir samlet i singulariteten i sentrum av det svarte hullet. Så mye masse konsentrert på et så lite sted resulterer i et svært sterkt gravitasjonsfelt.

Mange observasjoner gir klare indikasjoner på at enorme svarte hull, med masse på opptil flere milliarder ganger Solas masse, finnes i de sentrale områdene av de fleste galakser. Disse kalles supermassive svarte hull.

Det er sterke indikasjoner på at et supermassivt svart hull med omtrent fire millioner ganger Solas masse finnes i midten av vår egen galakse Melkeveien. Stjernene nær Melkeveiens sentrum beveger seg så fort at det må finnes et utrolig massivt objekt innenfor et (relativt sett) veldig lite område der. Dette svarte hullet kalles Sagittarius A* og befinner seg i stjernebildet Skytten.

Man vet ikke sikkert hvordan de supermassive svarte hullene har blitt dannet. En mulighet er at de ble dannet samtidig som galaksene de befinner seg i midten av.

I prinsippet kan det eksistere svarte hull som har mindre masse enn en stjerne. Denne tanken ble introdusert av Stephen Hawking i 1971.

Hvis massen til et objekt blir presset tett nok sammen til at unnslipningshastigheten til objektet blir større enn lyshastigheten, så vil objektet bli til et et svart hull, uansett hvor mye masse det hadde i utgangspunktet.

Dermed kan det i teorien også eksistere svarte hull som er så små at kvantemekaniske effekter spiller en rolle. Det er mulig at slike mikroskopiske svarte hull ble dannet like etter starten på universet. Mikroskopiske svarte hull vil fordampe nærmest umiddelbart gjennom Hawking-stråling.

Den 10. april 2019 publiserte forskere fra Event Horizon Telescope (EHT) det første direkte visuelle beviset på et supermassivt svart hull. Teleskopet er et samarbeidsprosjekt mellom flere radiobølgeobservatorier spredt utover hele jordkloden.

Bildet som ble publisert av Event Horizon Telescope, er ikke et bilde av selve hullet i seg selv, men av glødende gass rundt hullet. Bildet viser det supermassive hullet i sentrum av galaksen M87. Fra observasjonene er det mulig å beregne hvor mye masse som finnes i sentrum av galaksen. For å få plass til et objekt med så mye masse som finnes her, har forskerne ingen andre kandidater enn et svart hull.

Det første objektet som de fleste astronomer ble enige om måtte være et svart hull ble oppdaget i 1972. Objektet finnes i stjernebildet Svanen og har navnet Cygnus X-1. Dette er et dobbeltstjernesystem der det ene objektet er en ganske vanlig stjerne, mens det andre er et objekt som ikke sender ut stråling, og mest sannsynlig er et svart hull. Fra stjernen strømmer det gass over mot det svarte hullet. Før gassen forsvinner inn i det svarte hullet, blir den varmet opp så mye at den sender ut røntgenstråler. Denne røntgenstrålingen kan astronomer observere fra Jorda.

Gjennom beregninger basert på observasjoner av denne røntgenstrålingen, er det mulig å beregne massen til det usynlige objektet og banehastigheten til systemet. Til sammen forteller disse beregningene at det usynlige objektet i Cygnus X-1 mest sannsynlig ikke kan være noe annet enn et svart hull.