Melkeveien
Foto: Jørgen Berntsen Leangen / NRK

Melkeveiens mørke hemmelighet

Roger Penrose har fått en halv nobelpris for å bevise at svarte hull er en konsekvens av relativitetsteorien. Men hva i svarte betyr det egentlig?

I midten av galaksen vår, Melkeveien, finnes det et eller annet som er voldsomt tungt, men samtidig usynlig.

Noe som får stjernene rundt seg til å sirkulere i helt ekstreme hastigheter. Noe som har en masse tilsvarende fire millioner ganger så mye som sola vår, men kunne fått plass i solsystemet vårt.

Dette «noe» er sannsynligvis et gedigent svart hull. Tidligere i uka gikk nobelprisen i fysikk til tre forskere som har lært oss mye om dette fascinerende fenomenet som vi aldri vil kunne få øye på.

Stirr, så skal du finne

Forskere har hatt en mistanke om at det har vært noe svært og mørkt midt i galaksen vår helt siden sekstitallet.

På nittitallet starta Reinhard Genzel og Andrea Ghez hvert sitt prosjekt, med samme mål for øye. De ville se innover i galaksen vår, gjennom støvskyene, og inn til midten.

Genzel har stirra fra Chile, Ghez har stirra fra Hawaii. Og det de har sett har gitt svar.

Melkeveien

Sentrum av Melkeveien, som sett fra Chile.

Foto: ESO/S. Gillessen et al.

De har fulgt de mest lyssterke stjernene nær Melkeveiens sentrum, og kartlagt bevegelsesmønstrene deres. Omtrent en lysmåned fra midten beveger stjernene seg raskest.

Stjerna som heter S2 bruker 16 år på en runde rundt galaksens midte. Sola vår bruker til sammenligning 200 millioner år.

Måten stjernene går i bane på tyder på én ting – at de går rundt et supermassivt svart hull. Ghez’ data stemmer med Genzels data, som igjen stemmer med teorien om hvordan stjerner oppfører seg i nærheten av svarte hull av denne størrelsen.

Nå har Ghez og Genzel fått 25 prosent nobelpris hver, og det svarte hullet har fått et navn – Sagittarius A*.

Melkeveien i enkel tegning

Men hva er det egentlig for noe? Og hva kan vi si at vi vet med sikkerhet?

Vi hopper 237 år tilbake i tid.

Presten som fikk en idé

I 1783 presenterte den britiske teologen John Michell en idé som på det tidspunktet må ha virka fullstendig tullete. Han hadde regna seg frem til at ei stjerne med samme massetetthet som sola, men med 500 ganger så stor radius, ville fange lyset.

Fange betyr i denne sammenhengen ha så sterk tyngdekraft at selv ikke lys slipper unna.

Hva er den naturlige konsekvensen av at noe ikke slipper fra seg lys?

At vi ikke kan se det.

Og hva er konsekvensen av at noe har så sterk tyngdekraft at det ikke slipper fra seg lys?

At den samme tyngdekrafta påvirker bevegelsene til andre objekter i nærheten.

Denne hypotetiske kjempestjerna ville med andre ord ikke kunne observeres direkte, men den ville påvirke sitt astronomiske nabolag i så stor grad at den dermed kunne identifiseres ad omveier.

Michell var forut for sin tid, ei tid der spisskompetansene hans innen astrofysikk og geologi ble skvisa inn i sekkebetegnelsen naturfilosof.

Han hadde, som førstemann, beskrevet noe som ligner på det vi i dag utvilsomt ville kalt et svart hull.

Han ble ikke særlig kjent i sin samtid, men det ble nestemann vi må innom på veien mot dagens forståelse av svarte hull. Han het Albert Einstein.

Den vakreste teorien

I 1915 la Albert Einstein frem den generelle relativitetsteorien – en teori de aller fleste har hørt om, men som de aller færreste forstår.

Siden dette først og fremst er en artikkel om svarte hull, og ikke om generell relativitet, går vi for en kjapp og omtrentlig oppsummering:

Den handler om at tid og rom er sammenvevd, og at det vi opplever som tyngdekrefter, er en konsekvens av at dette tidrommet krummer seg.

Vil du ha det enda litt mer grunnleggende?

Den handler om hvordan naturen oppfører seg når ting går veldig fort, er veldig store eller veldig tunge.

Den generelle relativitetsteorien var banebrytende, intet mindre, og ga mange matematikere og fysikere mye nytt og spennende å regne på. Opptil flere av dem regna seg frem til at svarte hull måtte være en direkte, om enn teoretisk, konsekvens av teorien.

Einstein slo seg til ro med nettopp det, at svarte hull utelukkende var teoretiske og hypotetiske. Han trodde ikke at de faktisk kunne eksistere, og i 1955 døde han i den trua.

Ti år etter kom mannen som fikk 50 prosent av årets nobelpris, Roger Penrose, på banen. Det vil si, han hadde nok allerede vært på banen ei god stund, i og med at han på det tidspunktet klarte å vise at svarte hull ikke bare var et hypotetisk konsept.

Med matematiske krumspring som vi – av respekt for matematikk som fagfelt – ikke skal gjøre et forsøk på å gjengi her, klarte Penrose å vise at svarte hull faktisk kan eksistere. Med relativitetsteorien som fundament klarte han til og med å beskrive hvordan de er oppbygd.

I sentrum av den vitenskapelige bragden, og de svarte hullene bragden beskrev, ligger singulariteten. Og det er her det begynner å bli komplisert.

Den provoserende uendeligheten

Atombombas far – Robert Oppenheimer – hadde allerede på tredvetallet antyda at stjerner som kollapser, ender opp som ekstremt tettpakka stjernerester.

Men begrepet ekstremt tettpakka yter nok ikke virkeligheten rettferdighet i dette tilfellet.

Et sort hull er altså restene etter ei svær stjerne, og ei stjerne er nødvendigvis ikke bare svær, men også massiv. Det vi på folkemunne noe upresist kaller tung.

Når stjerna dør blir den veldig mye mindre i utstrekning, men ikke i tyngde – masse kan ikke bare forsvinne. Det masse derimot kan, er å komprimeres.

Stjernerestene komprimeres i så stor grad at all massen ender opp i et punkt. Ikke en klump på størrelse med en tennisball, heller ikke ei klinkekule. ET PUNKT.

Hvor stort er et punkt, lurer du kanskje på? Det er ei kule med radius på en såkalt plancklengde, nemlig 10-33 cm.

Det er denne kula som er singulariteten.

Når du presser all massen til en stjerne inn i et punkt, ender du ikke opp med et hvilket som helst punkt. Punktet vil, for å si det litt forsiktig, ha stor påvirkningskraft på sine omgivelser.

Litt grunnleggende fysikk: Når du klemmer masse sammen, vil massetettheten øke.

Du starter med en neve med snø. Av nevnte neve former du en snøball – du presser snøen sammen til ei hard kule. Kula er like tung som neven med snø, men den har blitt mindre. Den veier mer per kubikkcentimeter.

I singularitetens tilfelle er størrelsen tilnærma lik null, mens vekta er den samme. Det betyr at massetettheten går mot uendelig.

Uendelighet er et provoserende vanskelig konsept å forstå, men vi får bare stole på fagfolka. Singulariteten har en massetetthet som går mot uendelig, med på kjøpet får den også da en helt absurd tyngdekraft. Tyngdekraft som kan fange lys.

Der lyset ikke kan snu

Er et svart hull da bare dette ene punktet, singulariteten?

På en måte, det er jo der all massen er. Men Penrose var ikke bare opptatt av singulariteten, han beskrev også hendelseshorisonten. Og det er den som skiller det svarte hullet fra verdensrommet rundt seg.

Roger Penrose

Roger Penrose har her nettopp fått vite at han har blitt tildelt nobelprisen, og poserer naturlig nok fornøyd for fotografen hjemme i Oxford.

Reinhard Genzel feirer nobelprisen med et glass musserende.

Reinhard Genzel feiret prisen med et glass musserende.

Andrea Ghez, professor i Astrophysics på Universitet i California, Los Angeles, poserer i bakgården i forbindelse med nobelprisen 2020

I forbindelse med offentliggjøringen av prisen poserte også Andrea Ghez velvillig.

Einstein presenterte i relativitetsteorien ei ligning som sier noe om sammenhengen mellom masse og krumming av tidrommet. Hvis du synes krumming av tidrommet er irriterende lite intuitivt, kan du fortsatt tenke på det som det vi opplever som tyngdekraft.

Den tyske astrofysikeren Karl Schwarzschild løste relativt umiddelbart ligninga for et kuleforma objekt, som for eksempel ei stjerne.

Løsninga viste at et objekt som er kompakt nok, vil lage et område rundt seg der tidrommet er bøyd så kraftig at det ikke vil slippe ut noe lys.

Grensa mellom området der lys kan slippe unna, og der lys vil bli evig fanga, kalles altså hendelseshorisonten. Det er vanlig å se på hendelseshorisonten som størrelsen til det svarte hullet, selv om hullets masse fortsatt bare befinner seg i det lille punktet i midten.

Fareskilt

Hva er så nobelprisvinner Penroses rolle i det hele? Han brukte matematikk til å gjøre noe som var tilnærma uforståelig for de aller fleste, tilgjengelig for fagfolk.

I tillegg viste han at hendelseshorisonten vil dannes uansett hvor kaotisk stjernekollapsen er, så lenge stjerna er svær nok.

Med fingeren i fremtida

Nå kan vi se for oss et svart hull på følgende måte: Et forsvinnende lite og superkompakt punkt omgitt av tomrom, avgrensa av ei usynlig linje som markerer point of no return for lys.

Dette er mulig å begripe. Det er derimot ikke neste opplysning, som handler om hva som skjer hvis du mot formodning skulle krysse hendelseshorisonten inn til et svart hull.

Romdimensjonen blir til en tidsdimensjon.

Slapp helt av, det er ikke noe feil med intellektet ditt. Dette er ikke noe vanlige folk kan gå rundt å tenke på, dette er kompliserte greier, selv for flinke fysikere. Og det gjelder først og fremst matematisk.

Ulf Danielsson ved Det svenske akademiet gjorde et forsøk på å forklare under nobelprispresentasjonen:

Hvis du hadde kunnet putte fingeren din gjennom hendelseshorisonten til et sort hull, ville fingertuppen eksistert i din egen fjerne fremtid.

På innsida av hendelseshorisonten fører nemlig alle veier inn mot sentrum. Rom oppfører seg som vi er vant til at tid gjør. Den går bare én vei – fremover.

Svart hull

Det første bildet noen har tatt av et svart hull. Innsida av den lysende ringen markerer hendelseshorisonten.

Foto: Event Horizon Telescope

Når ligningene ikke går opp

Hva vet vi egentlig om svarte hull? Og hva er kvalifiserte gjetninger?

Vi vet at det finnes områder i universet med ekstrem tyngdekraft som ikke slipper ut lys. Og vi er i vår fulle rett til å omtale disse områdene som sorte hull.

Hva som er på innsida av disse områdene, vet vi derimot ikke. Vi bygger stein på stein med kunnskap – forkaster hypoteser og lager nye hypoteser. Vi spør, og håper naturen svarer.

Dette med singularitet er for eksempel problematisk når vi tar hensyn til kvantefysikk – ligningene går ikke opp. Med tid og stunder får vi sannsynligvis en enda bedre teori, vi leter etter en som kan forene kvantefysikken og relativitetsteorien på en måte som gjør at litt flere brikker faller på plass.

Det svære området midt i Melkeveien er sannsynligvis et svart hull. Men det er ikke restene etter ei stjerne. Til dét er det for enormt, det må være et såkalt supermassivt svart hull.

Hvordan har det blitt danna? Vi vet ikke. Kanskje oppsto det i forbindelse med dannelsen av galaksen det utgjør sentrum av.

Vi vet fortsatt lite om svarte hull, men til å vite lite begynner vi å forstå ganske mye.

Kilder: