Svarta hål har gäckat forskare i över 100 år. Länge var det osäkert huruvida de ens existerade. Idag vet man att de är universums mörkaste plats – och samtidigt dess starkaste ljuskälla.
De svarta hålen är vårt främsta laboratorium för teoretisk fysik.
Bilderna såg kanske inte mycket ut för världen. Men fotona på en skugga med en ljus ring var nästintill revolutionerande när de publicerades 2019. Den ljusskimrande ringen definierade formen av ett svart hål. För första gången kunde forskare mer eller mindre slå fast att svarta hål faktiskt existerar.
Bilderna föreställer ett svart hål i galaxen Messier 87, som ligger 55 miljoner ljusår från jorden i Jungfruns stjärnbild – och tog flera år att få fram. Det krävdes mer än ett teleskop för att avbilda det svarta hålet, så forskare gick samman och skapade ett virtuellt teleskop, Event Horizon Telescope. Det binder samman ett tiotal radioteleskop i ett nätverk över hela jorden.
Fascination för svarta hål
– När bilderna kom, bestämde jag mig för att besöka teleskopen, träffa forskare och gräva i arkiv, säger Jonas Enander, doktor i fysik vid Stockholms universitet.
Han har även forskat om de historiska, filosofiska och kulturella aspekterna kring svarta hål. För att förstå fenomenet, och vår fascination för det svarta hålet, har han rest till ensliga platser och letat i gamla arkiv. Från teleskop på Hawaiis halvdöda vulkaner till universitetsarkiv i tyska Göttingen. Nu är han aktuell med boken ”Mörkret och människan”, om svarta hål och vad de lär oss om vår plats i universum.
Människans försök att förstå sig på den mörka kraft som slukar ljus började tidigt. En första tanke att det kunde finnas helt mörka himlakroppar i universum kom redan på 1780-talet. Den brittiska kyrkoherden John Mitchell, som tidigare varit professor i geologi, började kartlägga stjärnorna på sin fritid. Han ville försöka slå fast deras avstånd, storlek och massa. Genom att använde Newtons gravitationsteori kunde han bestämma stjärnornas massa.
Teleskopen som avbildar svarta hål
Event Horizon Telescope (EHT) är ett globalt nätverk som binder samman ett tiotal radioteleskop i ett nätverk över hela jorden. Tillsammans har de för första gången lyckats avbilda svarta hål. Först ut var det supermassiva svarta hålet M87* i galaxen Messier 87 2019. Därefter Sagittarius A* i Vintergatan.
Teleskopen som ingår är ALMA, APEX, IRAM 30-meter telescope, James Clark Maxwell Telescope, LMT, SMA och SPT, Greenland Telescope, NOEM, UArizona ARO 12-meter Telescope.
Insikt om mörka himlakroppar
När han räknade på flykthastigheten insåg han att allt ljus som skickas ut kan dras tillbaka av den egna gravitationen om den är tillräcklig stark. Då förstod han att det kunde finnas gigantiska, mörka himlakroppar som inte går att se med blotta ögat.
Mitchells teorier om osynliga himlakroppar möttes med skepsis från forskarvärlden. Först i början av 1900-talet tog idén om svarta hål form på riktigt, som vi känner till dem i dag.
Brev mellan Schwarzschild och Einstein
I arkivet i Göttingen hittade Jonas Enander brevväxlingen mellan astronomen Karl Schwarzschild och fysikern Albert Einstein, från tidigt 1900-tal, som blev startskottet för jakten på svarta hål. Schwarzschild var stationerad som löjtnant vid fronten mellan Tyskland och Frankrike. Under mullret från första världskrigets kanoner tog han fram den första matematiska formeln för svarta hål genom att applicera Einsteins nya allmänna relativitetsteori på stjärnor – om det så kallade krökta rummet, som sade att materia och energi kan förändra rum och tid.
– Det var en formel som visade att rum och tid kan förvridas så pass mycket så att svarta hål sluter sig inom sig själv, säger Jonas Enander.
Till skillnad från synliga objekt på himlen, som planeter och stjärnor, där forskarna först observerar något och sedan skapar modeller, började upptäckten av de svarta hålen i andra änden – med matematiska teorier som sedan kunde bekräftas genom observation.
Kompakt massa som slukar ljus
Så, vad är då ett svart hål?
Det ett område i universum där materian är så kraftigt koncentrerad att gravitationen i sin tur blir så pass stark att varken materia eller ljus kan lämna ”hålet”.
Maria Sundin är astrofysiker vid Göteborgs universitet och forskar bland annat om datorsimuleringar av galaxer. Till våren släpper hon boken ”Lätta fakta om svarta hål”.
– Ju närmare något kommer ett svart hål, desto högre fart behövs för att kunna vända. Vid ett visst avstånd från det svarta hålet krävs ljusets hastighet för att kunna ta sig därifrån. Det är det som kallas händelsehorisonten, säger hon.
Punkten utan återvändo
Händelsehorisonten är alltså den skenbara gränsen mellan hålets innandöme och omvärlden, och utgör ”punkten utan återvändo”. Men vad som blir av den materia som passerar händelsehorisonten, in i hålet, det vet vi inte.
De första indikationerna på att svarta hål faktiskt existerar kom på 1960-talet, när astronomerna kunde uppmäta röntgenstrålar från dem. Det är inte är så konstigt att ingen kunnat upptäcka det tidigare, påpekar Maria Sundin.
– Röntgenstrålar från rymden går inte genom jordens atmosfär, utan det krävs teleskop i omloppsbana runt jorden, bortom atmosfären, säger hon.
Universums starkaste ljuskälla
De senaste tio åren har det kommit ett flertal övertygande bevis för svarta hål i universum – som fotona från 2019. Och även helt nya upptäckter om svarta hål som kan leda till oväntade användningsområden.
– Svarta hål kan vara en förklaring till att vi ser en del märkliga fenomen i universum, säger Maria Sundin.
En av de mest överraskande upptäckterna om svarta hål är att de, trots sitt mörker, även ligger bakom universums mest intensiva ljus: kvasarer. Kvasarer är punktlika extremt starka ljuskällor med elektromagnetisk strålning från avlägsna galaxkärnor – svarta hål. Runt det svarta hålet finns en skiva av gas och annan materia som virvlar runt utanför händelsehorisonten. När gasen närmar sig det svarta hålet hettas den upp och omvandlas till energi genom gigantiska jetstrålar.
Kvasarer används för gps
Precis som stjärnor förr användes för att navigera till sjöss, kan man idag använda ljuset från jetstrålarna, berättar Jonas Enander.
– Stjärnorna i vår galax rör sig, men kvasarerna ligger så pass långt bort att de kan bli våra nya viktigaste kosmiska referenspunkter, säger han.
På Onsala rymdobservatorium utanför Göteborg, studerar forskarna kvasarer för att bygga upp ett koordinatsystem på himlen. Det gör att man kan se hur kontinenterna rör sig och landmassorna förändras. Systemet används även för att kalibrera vårt gps-system.
Svarta hål i olika storlek
En annan upptäckt är att det finns olika sorters svarta hål, av olika storlek.
– Det finns sådana som bildas av gamla stjärnor. De är i samma storleksordning som stjärnorna. Men i mitten av galaxerna finns supermassiva svarta hål, säger Maria Sundin.
De supermassiva svarta hålen har en massa som miljarder stjärnor, och de växer till sig och blir allt större när materia som kretsar omkring hålen slits sönder och faller in.
– Vi tror att de styr själva strukturen på galaxerna. När det finns ett väldigt stort svart hål i mitten av en galax så påverkar det hur stjärnor rör sig, säger hon.
Supermassivt svart hål i vår galax
Ett exempel är vår egen spiralformade galax, Vintergatan. Nobelpristagarna Andrea Ghez och Reinhard Genzel lyckades identifiera ett svart hål i Vintergatans centrum, Sagittarius A*, genom att studera stjärnornas rörelser kring hålet. De använde geologen och kyrkoherden Mitchells metod, mer än 200 år senare.
2022 kom de första riktiga bilderna av Sagittarius A*, också tagna av Event Horizon Telescope, som bekräftade dess existens. Detta supermassiva svarta hål är fyra miljoner gånger så massivt som vår sol, och har en så kraftig gravitation att allt i vår galax snurrar runt i det i spiralvirvlar.
Men fortfarande kvarstår många frågor. Till exempel vet vi ännu inte hur de supermassiva hålen tillkommit eller om de finna i alla galaxer. Vi vet inte heller exakt hur kvasarerna fungerar, eller vad som sker med materia vid händelsehorisonten.
Skillnaden mellan olika svarta hål
Det tros finnas så mycket som 100 miljoner svarta hål bara i vår galax Vintergatan.
Det svarta hål som ligger närmast jorden, Gaia BH1, upptäcktes 2022 och ligger 1560 ljusår bort. Det kan jämföras med solen som ligger åtta ljusminuter bort, och månen som ligger bara en ljussekund från jorden.
Den närmaste stjärnan, förutom vår sol, är Proxima Centauri i stjärnbilden Kentauren. Den befinner sig fyra ljusår bort. För att en stjärna ska bli till ett svart hål måste den vara av en viss storlek. Vår sol är för liten för att kunna bli till ett svart hål.
Det supermassiva svarta hålet Sagittarius A* i Vintergatan har en massa motsvarande 4 miljoner solar. Det kan jämföras med galaxen M87 vars supermassiva svarta hål tros ha en massa på 6,5 miljarder solar.
M87* är 1 500 gånger större än ”vårt” svarta hål och ligger 55 miljoner ljusår bort, medan Sagittarius A* ligger ”bara” 27 tusen ljusår bort. Från jorden ser de lika stora ut på himlen på grund av deras olika avstånd.
Svarta hål ger nya miljöer att studera
– Forskning om svarta hål kan lära oss mer om fysikens lagar och ger tillgång till miljöer att studera som inte finns på jorden. Framförallt hur materia beter sig i universums mest extrema miljöer, där det till exempel kan vara väldigt varmt, och finnas olika strålningsmiljöer och gravitationsfält, säger Maria Sundin.
Det största målet är att förstå vad som händer bortom händelsehorisonten, i den så kallade ”singulariteten”, när materian koncentreras så kompakt att den i princip bara utgör en enda punkt, och gravitationen blir oändlig. Förstår man det, rent teoretiskt, då får man nyckeln till vad som händer med både rum och tid. Som en saknad pusselbit i förståelsen av fysikens grunder.
Svarta hål – både mörker och ljus
– Svarta hål är vårt främsta laboratorium för teoretisk fysik idag, där alla våra teorier ställs på sin spets, konstaterar Jonas Enander. På det sättet är svarta hål en av de viktigaste forskningsfronterna. Förstår man rumtiden och det som händer med materia under de mest extrema villkoren i universum, då låser man upp naturens yttersta hemligheter, säger han.
För honom är svarta hål inte bara destruktiva och mörka objekt, utan hoppingivande när han tänker på dem.
– Man har ju upptäckt att de även skapar ljus, och bidrar till hur strukturer skapas i universum. De svarta hålen uppvisar ett samspel mellan destruktion och kreation, säger han.
– Även människans förmåga att utforska universum till dess yttersta gränser ger mig hopp. Klarar vi det klarar vi väl av att hantera klimatkrisen?
Text: Mette Carlbom på uppdrag av forskning.se
