Svarta hål

Ett svart hål är ett område i rymden där gravitationen är så stark att ingenting, inte ens ljus, kan fly.

Den grundläggande strukturen hos ett svart hål består av en singularitet som döljs av en händelsehorisont. Inom händelsehorisonten överstiger flykthastigheten ( vesc ) ljusets hastighet ( c ) och ett objekt är fångat för alltid. Utanför händelsehorisonten är vesc < c och objektet kan fly.

Existensen av sådana objekt föreslogs för första gången så långt tillbaka som i slutet av 1700-talet. Det var dock Karl Schwarzschild (1873-1916), en tysk astronom, som i princip utvecklade den moderna idén om ett svart hål. Med hjälp av Einsteins allmänna relativitetsteori upptäckte Schwarzschild att materia som komprimerats till en punkt (numera känd som en singularitet) skulle omslutas av en sfärisk region i rymden från vilken ingenting kan fly. Gränsen för denna region kallas händelsehorisonten, ett namn som innebär att det är omöjligt att observera någon händelse som äger rum innanför den (eftersom information inte kan ta sig ut).

För ett icke-roterande svart hål är radien för händelsehorisonten känd som Schwarzschilds radie, och markerar den punkt där flykthastigheten från det svarta hålet är lika med ljusets hastighet. I teorin kan vilken massa som helst komprimeras tillräckligt för att bilda ett svart hål. Det enda kravet är att dess fysiska storlek är mindre än Schwarzschild-radien. Vår sol skulle till exempel bli ett svart hål om dess massa skulle vara begränsad till en sfär med en diameter på cirka 2,5 km.

Väldigt långt innanför händelsehorisonten ligger hjärtat av det svarta hålet – singulariteten. Allt inom händelsehorisonten dras oåterkalleligt mot denna punkt där rymdtidens krökning blir oändlig och gravitationen är oändligt stark. Ett intressant dilemma för astrofysiker är att de fysiska förhållandena nära en singularitet leder till att fysikens lagar fullständigt bryts samman. Ändå finns det ingenting i den allmänna relativitetsteorin som hindrar isolerade, eller ”nakna”, singulariteter från att existera. För att undvika en situation där vi faktiskt skulle kunna se detta sammanbrott av fysiken inträffa, föreslogs den kosmiska censuren. Enligt den måste varje singularitet ha en händelsehorisont som döljer den – precis vad vi finner för svarta hål.

Svarta hål kännetecknas helt och hållet av endast tre parametrar: massa, rotation och laddning. Man tror nu att det finns fyra huvudtyper av svarta hål om de klassificeras efter massa:

1. Primordiala svarta hål har en massa som är jämförbar med eller mindre än jordens. Dessa rent hypotetiska objekt kan ha bildats genom gravitationskollaps av områden med hög densitet vid tiden för Big Bang.
2. Svarta hål med stellarmassa har en massa på mellan 4 och 100 solmassor och är resultatet av en massiv stjärnas kärnkollaps i slutet av sin livstid.
3. Svarta hål med mellanmassa på 102 och 105 solmassor kan också finnas. Det första bra IMBH är röntgenkällan HLX-1, som ses i en projektion nära centrum av S0-galaxen ESO 243-49.
4. Supermassiva svarta hål väger mellan 105 och 1010 solmassor och finns i centrum av de flesta stora galaxer.

Alternativt kan svarta hål klassificeras efter sina två andra egenskaper, rotation och laddning:

1. Schwarzschilds svarta hål, även kallat ”statiska svarta hål”, roterar inte och har ingen elektrisk laddning. Det kännetecknas enbart av sin massa.
2. Kerr Black Hole är ett mer realistiskt scenario. Detta är ett roterande svart hål utan elektrisk laddning.
3. Laddade svarta hål kan vara av två typer. Ett laddat, icke-roterande svart hål kallas Reissner-Nordström svart hål, ett laddat, roterande svart hål kallas Kerr-Newman svart hål.

Enligt den klassiska allmänna relativitetsteorin kommer ett svart hål, när det väl har skapats, att bestå i all evighet eftersom ingenting kan undkomma det. Men om man även tar hänsyn till kvantmekaniken visar det sig att alla svarta hål så småningom kommer att avdunsta då de långsamt läcker Hawking-strålning. Detta innebär att ett svart håls livslängd är beroende av dess massa, där mindre svarta hål avdunstar snabbare än större. Till exempel tar det 1067 år för ett svart hål på 1 solmassa att avdunsta (mycket längre än universums nuvarande ålder), medan ett svart hål på endast 1011 kg kommer att avdunsta inom 3 miljarder år.

Svarta hål upptäcks genom att observera högenergiföreteelser och rörelser hos närliggande objekt. Den här bilden av stjärnan S2:s omloppsrörelse runt Vintergatans centrum ger starka bevis för att det finns ett supermassivt svart hål (~3 miljoner solmassor) i vår galaxs centrum.
Kredit: ESO

Observationella bevis för svarta hål är förstås inte enkla att få fram. Eftersom strålning inte kan undgå ett svart håls extrema gravitationskraft kan vi inte upptäcka dem direkt. Istället drar vi slutsatsen att de existerar genom att observera högenergiföreteelser som röntgenstrålning och jetstrålar, och rörelserna hos närliggande objekt i omloppsbana runt den dolda massan. En ytterligare komplikation är att liknande fenomen observeras runt mindre massiva neutronstjärnor och pulsarer. För att identifiera ett svart hål krävs därför att astronomerna gör en uppskattning av objektets massa och storlek. Ett svart hål bekräftas om inget annat objekt eller grupp av objekt skulle kunna vara så massivt och kompakt.