Universums svarta hål

Det mesta av universums fenomen är känt för många, men svarta hål är fortfarande ett ganska okänt begrepp. Svarta hålets existens förbryllar många fysiker, som länge har försökt att förstå dess existens genom den allmänna relativitets teorin. Men ett stort problem uppstod då man upptäckte att alla fysikaliska lagar upphör att fungera vid närvaron av ett svart hål.

De första spekulationerna

1795 spekulerade astro nomen Laplace om svarta kroppar med en så enorm gravitation att varken ljus eller materia kunde ta sig ut. Men själva beteckningen "svarta hål" infördes först 1967 av den amerikanske fysikern John Wheeler.

Från en stjärna till ett svart hål

Kollapsen av stjärnan fort sätter samtidigt som elek troner och protoner slås samman till neutroner. När kollapsen har stannat har en neutronstjärna eller en svart dvärg bildats. Detta är slutstadiet i utvecklingen hos en stjärna med stor massa. Gravitationskraften är nu så intensiv att varken mate ria eller elektromagnetisk strålning förmår tränga ut. Ett svart hål har bildats.

Den kritiska hastigheten

Ett föremål som skjuts iväg från en stjärnas yta rakt uppåt, kommer att bromsas upp av stjärnans tyngdkraft och dras tillbaka till ytan igen. Men om ett föremål får en viss kritisk hastighet så att den inte påverkas av någon tyngd kraft utan fortsätter rakt ut i oändligheten, kallar man den flykthastigheten. Då en stjärna kollapsar och dess gravitationsfält vid ytan ökar, ökar även flykt hastigheten. Den ökar så mycket att den kommer upp till ljusets hastighet (300 000 km/s). Ljus som sänds ut från stjärnan, kommer därför inte att kunna försvinna ut i universum, utan dras till baka av gravitationsfältet. Enligt den allmänna relativitetsteorin kan ingen ting röra sig fortare än lju set, och eftersom inte ens ljus kan undkomma en kol lapsad stjärna kan inget annat det heller. Resultatet blir ett svart hål.

Den allmänna relativi tetsteorins rumtid

Einstein förklarade med sin allmänna relativitetste ori, hur föremål rör sig genom tid och rum, och att tiden inte existerar av sig själv utan är beroende av rummet.

Rummet och tiden bildar tillsammans ett fyrdimensionellt rum, rumtiden. Detta rum är inte plant, utan är förvrängt eller krökt av materien och energin det innehåller. Einstein förklarade också att gravitationen inte var en kraft som verkade mot en fix bakrund av rumtid. Gra vitationen var också en för vrängning av rumtiden, orsakad av materien och energin i den. Föremål som planeter försöker röra sig i en rät linje genom rumtiden, men eftersom rumtiden är krökt, ser deras banor ut att vara krökta. Om man tar jorden som ett exempel, så försöker den röra sig i en rät linje genom rumtiden, men den rumt idskrökning som orsakas av solens massa får den att gå i en cirkel kring solen. På liknande sätt försöker ljuset gå i en rät linje, men rumtidens krökning nära en sol får ljuset från avlägsna stjärnor att böjas av om det passerar nära den. Detta innebar då att materien får rumtiden att kröka sig in mot sig själv. Materien kan kröka ett område så mycket att det effektivt snörs av från res ten av universum. Det område skulle bli vad man kallar ett svart hål. Föremål skulle kunna falla in i det svarta hålet, men inte kunna komma ut. För att komma ut måste föremålet röra sig fortare än ljusets hastighet (300 000 km/s), vilket enligt relativitetsteo rin är omöjligt. Materien inuti ett svart hål skulle då vara fångad och kollapsa till ett okänt tillstånd med mycket stor täthet.

Rumtidens början och slut

En av de ledande fors karna inom svarta hål är fysikern Stephen Hawking. Han menar att om rumtiden är krökt in mot sig själv, innebär det att det måste finnas singulariteter. Singularitet är ett till stånd där rumtiden har en början eller ett slut. Då en kropp packas och kläms ihop till den milda grad där den inte längre kan bli mindre, hamnar den i ett tillstånd som kallas singularitet. Gravitationen i singularitet är oändlig, och tiden bryts loss från rumtiden. Kvar blir endast rummet. I singularitet upphör fysikens lagar att fungera. Och eftersom den allmänna relativitetsteorins ekvatio ner, som sätter ihop rumt idens krökning med fördelningen av massa och energi, inte kan ge en exakt beskrivning av vad som sker i en singularitet, kom kvantmekaniken till hjälp.

Kvantmekanikens obe stämdhetsrelation

Kvantmekanikens obe stämdhetsrelation säger att det är omöjligt att göra en exakt mätning av en parti kels läge eller bestämma ett systems tillstånd, utan man kan bara förutsäga sanno likheterna för olika utfall. Medan den allmänna relati vitetsteorin inte kan ge en definitiv förutsägelse för vad som skall ske.

Den vanliga uppfatt ningen hos de flesta män niskor är att ett system har en bestämd historia. En händelse har antingen ägt rum eller inte ägt rum, eller en partikel befinner sig antingen på ett ställe eller på ett annat ställe. Kvantmekanikens obe stämdhetsrelationen säger å andra sidan att ett system inte bara har en historia i rumtiden utan varje möjlig historia. En händelse har till hälften ägt rum och till hälften inte ägt rum, och en partikel kan vara till hälften på ett ställe och till hälften på ett annat ställe. Alltså möjligheten att göra bestämda förutsägelser halveras. Sammanfattnigsvis skulle man kunna säga att varje partikel följer varje möjlig väg eller historia i rumt iden, och vi kan bara förut säga sannolikheterna för olika utfall.

Ett svart hål är inte helt svart

Då fysikern Stephen Hawking undersökte vilken effekt obestämdhetsrelatio nen skulle ha på en partikel i den krökta rumtiden nära ett svart hål, upptäckte han att ett svart hål inte är full ständigt svart. Detta kunde bara förklaras med hjälp av kvantmekanikens obe stämdhetsrelation. Rummet av universum är fullt av antipartiklar och par av virtuella partiklar, som hela tiden materialise ras i par, skils åt och sedan går samman igen och förin tar varandra. I närheten av ett svart hål kan den ena av ett par vir tuella partiklar eller en antipartikel, ramla in i hålet, så att den andre inte har någon partner att förin tas mot. De övergivna partiklarna kan ramla in i det svarta hålet de med, men de kan också komma undan, där de syns som strålning som kommer ut ur det svarta hålet. Men det som kommer ut ur ett svart hål skiljer sig från det som föll in. Endast energin är densamma. Det är alltså möjligt för en partikel att färdas fortare än ljuset, eftersom det är vad som krävs för att kunna ta sig ut ur ett svart hål. Sannolikheten för att den ska röra sig en lång sträcka med högre hastighet än lju sets är liten, men den kan färdas fortare än ljuset pre cis tillräckligt långt för att komma ut ur det svarta hålet, och sedan röra sig långsammare igen. På så sätt tillåter kvantme kanikens obestämdhetsre lation partiklar att fly från vad man trodde var det absoluta fängelset, ett svart hål. Faktum att man inte kan observera vad som sker inuti det svarta hålet, att man varken kan bestämma lägen eller hastigheter för de utsända partiklarna. Allt man kan ge är sanno likheter för att partiklarna sänds ut i vissa tillstånd. Partiklarna i ett svart hål behöver inte sluta sina his torier i en singularitet. Istället kan de fly undan det svarta hålet och fortsätta sina historier utanför.

Hur man ser ett svart hål

Svarta hål består av ing enting, utan är extremt enkla objekt. De har dock 3 grundläggande egenskaper som massa, rotation och elektrisk laddning. Gravitationen spelar en central roll i existensen av det svarta hålet.

Typiskt för det svarta hålet är att dess område har en begränsningsyta, vars stor lek är proportionell mot dess massa. Det är svårt att se ett svart hål, eftersom det inte syns. Man vet att svarta hål finns p.g.a. de effekter som det skapar då en stjärna kom mer i närheten av det. Det svarta hålets materia suger i sig stjärnans mate ria. När stjärnans materia pas serar händelsehorisonten upphettas den, och vid upp hettningen sänds intensiv röntgen- och ultravioletts trålning ut. Det är denna intensiva röntgen- och ultravioletta strålning som astronomerna kan se, och som är beviset för att svarta hål existerar. Ett annat sätt och se det svarta hålets närvaro är när föremål, som asteroider och kometer, kommer för nära ett svart hål. Eftersom dessa föremål oftast har en egen bestämd bana, så är det lätt att märka när det sker en förändring i deras banor.

När dessa föremål kommer i närheten av ett svart hål, börjar de gå en bana runt det svarta hålet istället. Astronomerna ser inte själva svarta hålet, men de ser att föremålet har ändrat sin bana. Därmed vet man att det finns ett svart hål i närheten av föremålet.

Föremålets bana in i oändligheten

Ett föremål faller inte pladask in i ett svart hål, utan den roterar in i det. ju närmare hålet föremålet kommer, desto snabbare roterar det. Det uppkom mer då olika hastigheter, och mellan dessa olika hastig heter bildas friktion. Denna friktion stoppar föremålet till en viss grad, och det här är det enda sätt som ett svart hål kan stoppa ett föremål. Friktionen ökar mer och mer ju närmare hålet föremålet kommer, därför blir det enormt hett. Just denna hetta gör att när föremål sugs in det svarta hålet, utsänds en intensiv röntgen- och ultravioletts trålning.

Svarta hålets öde

Det svarta hålets begränsningsyta är propor tionell mot dess massa. Det innebär att mycket få par tiklar kan komma undan från ett stort svart hål. Men mindre svarta hål släpper ut partiklar snabbare. När det svarta hålet sänder ut partiklar minskar dess massa och storlek hela tiden. Det gör det lättare för fler partiklar att ta sig ut. Detta utsändande av partiklar kommer därför att fortsätta tills det svarta hålet slutligen strålar bort. Alla svarta hål i universum kommer att avdunsta på detta sätt. Det slutliga sta diet av det svarta hålets avdunstning skulle gå så fort att det skulle sluta i en enorm explosion. Men för ett stort svart hål skulle det ta miljarder år att försvinna på detta vis. Det beror dels på att den inte sänder ut lika mycket par tiklar, och dels att den hela tiden går ihop med andra svarta hål och blir bara större.

Litteratur:

MÅNGA BRA BÖCKER OM SVARTA HÅL HAR SKRIVITS AV FYSIKERN STEPHEN HAW KING SOM;

Hawking, Stephen: Svarta hål och universums framtid. Raben Prisma 1993.

Hawking, Stephen: Kosmos en kort historik. Stockholm 1988.

PÅ INTERNET FINNS DET MYCKET OM SVARTA HÅL, OCH BILDERNA I ARTIKELN ÄR HÄMTADE DÄRIFRÅN;

http://home5.swipnet.se/

http://www.dd.chalmers.se/

http://www.linkoping.se/