Sorte hull og gravitasjonsbølger

Medlemsmøte 7/12 – 2021

Vi var 15 stk som møtte frem for å høre Rune Moen snakke om sorte hull og gravitasjonsbølger.

Dette er et stort og vanskelig emne som krever god innsikt. Derfor lar jeg Rune selv fortelle fra denne interessante kvelden i klubbhuset.

Sorte Hull og Gravitasjonsbølger

Rune Moen, Astronomiforeningen i Agder

Foredrag på møte i Astronomiforeningen 7.desember 2021

Hva er et sort hull

Det første bildet av et sort hull, M87, presentert 10.april 2019, av EventHorizonTelescope Collaboration.  EHTC er et samarbeide mellom 8 radioteleskop fra Antarktis til Grønland. 

Bildet viser gass skiven rundt det sorte hullet.  Innerkanten av gass skiven er målt til 5,5 ganger Schwartchild radius (eventhorisont) til det svarte hullet som har en masse på  6 milliarder solmassser og en utstrekning på 28000 solradier.  Dette er et supermassivt sort hull som befinner seg i senter av galaksen M87 med en avstand ca 50 mill. lysår fra oss. Galaksen ble notert i Messierkatalogen i 1781.  Hele vårt solsystem får rikelig god plass innenfor kanten av akkresjonsskiven (gass skiven).

Jetstrålen fra det sorte hullet ble først oppdaget i 1918 og er siden blitt fotografert i ulike frekvensbånd.  Bildet over er basert på mikro- og radiobølgelengder.  Kombinasjonen av jetstråle, akkresjonsskive og lokalisering i et galaksesentrum, viser at vi her har et aktivt sort hull som «spiser» stjerner fra galaksen.  Noe av massen oppslukes av det sorte hullet, men mesteparten kastes ut igjen i jetstrålen og som elektromagnetisk stråling – trolig også som gravitasjonsbølger.  Forskerne mener nå at alle galakser har et supermassivt sort hull i sitt senter, med masse større enn 1 million solmasser.  Ikke alle er aktive som M87, men man tror aktiviteten går i perioder.

Klasser av sorte hull

Micro Black holes er fra atomstørrelse og oppover.  Kan ha oppstått like etter Big Bang, men har vel allerede fordampet.

Stellare sorte hull oppstår når stjerner kollapser.  Masse fra 10 til 100 solmasser.  Solmasse SM refererer til massen på vår lokale sol, og er et mål for størrelse på de sorte hullene.

Mellomstore sorte hull fra 100 SM til 1 mill SM.  Det er tvilsomt om det finnes mange i denne gruppen.  Noen få er oppdaget ved hjelp av gravitasjonsbølger.

Supermassive sorte hull ser ut til finnes i sentrum av alle galaksene.  Det er usikkert om de er et resultat av galaksens eksistens, eller om de er et «frø» til galaksedannelse.  Disse sorte hullene har en masse på mer enn 1 mill SM.  Største registrert er i galaksen NGC 1277 – 17 milliarder SM. M87 er 6 milliarder SM.

I 1970 ble det oppdaget en kvasar, TON 618, som antas å være en aktiv kjerne i en galakse, avstand 10,8 milliarder lysår, og et av de mest lyssterk objekter i universet.  Målinger og beregninger indikerer at det i sentrum er et sort hull med masse 66 milliarder SM, som er mer enn hele massen av vår egen melkevei som er 64 milliarder SM.  Med så stor masse faller dette i en ny klasse av Hypermassive sorte hull, og denne listen vokser stadig (i 2021 er det ca 20 på listen over > 10 milliarder SM.

Stellare sorte hull, kollapsede stjerner.

Når stjerner kollapser ender de opp som hvite dverger, nøytronstjerner eller sorte hull – avhengig av størrelsen på stjernen.  Veldig mange stjerner er dannet i par, dobbeltstjerner.  Disse kan være så nær hverandre at masse overføres fra den ene til den andre stjernen.  Dette er tilfellet med Cygnus X-1 som danner dobbeltstjerne med HDE 226868.  Det spesielle her er at Cygnus X-1 som er et sort hull, suger masse fra sin partner.  Resultatet er at det rundt det sorte hulles dannes en akkresjonsskive med plasma som roterer og gir opphav til en jetstråle.  Disse sammen resulterer i utstråling av radiosignaler som ble brukt til å beregne masse og avstand til disse stjernene.  I 2018 ble det bekreftet at Cygnus X-1 var et sort hull med masse 21 SM, altså et resultat av en stjernekollaps.

Gravitasjonsbølger

Roterende stjerner gir opphav til forstyrrelser i gravitasjonsfeltet.  Cygnus X-1 rotasjonstid rundt HDE 226868 er 5,6 dager, avstanden er ca. ½ stjerneradius.  Det er lenge til disse to møtes i en kollisjon.

LIGO/Virgo/KAGRA er målestasjoner for å oppdage forstyrrelser i gravitasjonsfeltet, såkalte gravitasjonsbølger. Interferometere benyttes for å måle lengdevariasjoner i to tverrstilte akser.  Når to eller flere målestasjoner registrerer de samme signalene kan man også beregne hvorfra gravitasjonsbølgen kommer. 

Gravitasjonsbølger oppstår når to sorte hull eller nøytronstjerner kolliderer og smelter sammen til et større objekt.  Siden 2017 og frem til i dag er det registrert 90 slike stjernekollisjoner, de fleste i vår egen galakse.  Signalene er faktisk hørbare, og lyder som en stigende fløytetone.  Selv om gravitasjons-signalene er entydige og kommer fra sorte hull, gjenstår det fremdeles å identifisere kilden til kollisjonene med signaler i det elektromagnetiske området som radiobølger, lys, røntgen.

De fleste av målingene viser kollisjoner med sorte hull, og størrelsen på det sammensmeltede objektet kan beregnes. Resultatene viser at det er flere sorte hull som er større enn hva som kan bli resultat av stjernekollapser.  Man venter med spenning på å måle kollisjoner mellom nøytronstjerner som ender opp som nye sorte hull.  Det er ennå ikke registrert i vår galakse.

Historien

Historien om sorte hull starter med Einstein generelle relativitetsteori i 1915 og Schwarzschild som i 1916 beregnet tyngdefeltet for en kule og dermed forutså sorte hull.  På 1960-tallet innså man at stjerner kan kollapse til singulariteter og Sorte Hull, begrepet ble etablert av Penrose. Han delte i 2020 nobelprisen i fysikk med Genzel og Ghez som i 2002 påviste det supermassive sorte hull i sentrum av vår galakse.

På 1970-tallet ble Stephen Hawking kjent for sine teorier om sorte hull, blant annet at de kunne avgi stråling og dermed fordampe.  Grunnlaget for avanserte instrumenter var lagt, og i 2015 kunne LIGO/Virgo presentere resultater fra gravitasjonsbølger, og i 2019 kunne EventHorizontTelescope vise de første bildene av et supermassivt sort hull i galaksen M87.