hole96.html
© J Westman 1996, 2002, 2005

Rymdens bottenlösa brunnar.
Det finns stora ting, som vi på grund av deras natur aldrig kommer att kunna iaktta direkt som sådana: de svarta hål, som så gott som säkert ger energin åt strålningen från Universums mest ljusstarka objekt - kvasarerna - och det supertunga svarta hål som misstänks finns i centrum av vår Vintergata. De svarta hålen har uppenbarligen samband med de mest energirika fenomenen som observeras. Sedan sextitalet har astrofysikerna stått handfallna inför fenomenet gamma-eruptioner - de kraftigaste explosioner som astronomerna känner till. Först under de allra senaste åren (1996...2003) har observationer av gamma-utbrotten kunnat ge ledtrådar till en förklaring.


JW 5.okt 1996, 7 jan 2002, uppdat 29 nov 2005
Skillnaden mellan tro och vetande är väsentlig inom naturvetenskapen. De svarta hålen är ett bra exempel. Teorierna om dem är omfattande och trovärdiga, men det utgör ingen garanti för att de motsvaras av något i verkligheten. För att veta att de svarta hålen existerar i verkligheten krävs bindande bevis. Om en massa har en mycket hög densitet - täthet - kan den tyngdkraft den utövar blir så stark att ljuset inte kan fly från den. Mängden massa är inte avgörande. Det väsentliga är densiteten - ju högre densitet desto större tyngdkraft - enligt Albert Einsteins relativitetsteori ökar densiteten rymdens krökning runt massan, så att ljuset till slut inte längre kan fly ut. Karl Schwartzschild räknade under första världskrigets år ut att man då får ett svart hål med en såkallad händelse-horisont, en gränsdiameter som bestäms av massan. Vad som finns innanför gränsdiametern kan vår fysik inte förklara. Radien från centrum till händelsehorisonten kallas även Schwartzschild-radie.

Ett svart hål med Jordens massa skulle ha en gränsdiameter på knappt 2 cm, Schwartzschild-radie 1 centimeter. Solen har en massa drygt 300 000 gånger Jordens massa och idag en diameter på 1,4 miljoner kilometer, men om all solens massa pressades in inom en diameter av 6 km så skulle Solen bli ett svart hål. Solens Schwartzschild-radie är alltså 3 kilometer.

Enligt teorierna om stjärnornas utveckling, så kan Solen inte kollapsa till ett svart hål, men stjärnor med massor, som är mer än 3 till 4 gånger Solens, kan kröka till rymden och sluta som svarta hål, med gränsdiametrar på 18 till 24 kilometer.

Vi kan inte se ett svart hål direkt eftersom ingenting alls kan komma ut över gränsen. Men vi kan se kanten. Teorin säjer, att massa i närheten av ett svart hål tvingas att virvla runt det och pressas samman och inåt. Friktionen i virveln hettar upp masspartiklarna - allt hetare ju längre in mot kanten den kommer. Den strålar då med allt kortare våglängd efterhand som temperaturen stiger, ljus, ultraviolett, röntgen, till slut gamma om hålet är stort nog.

Observationsmässigt finns det några bra kandidater för svarta hål med stjärn-massa i par med andra stjärnor.Men hur är det med svarta hål som har massor i storleksordningen miljoner eller miljarder solar? Kvasarerna - universums mest ljusstarka objekt - kanske får sin energi från materia som störtar in i sådana supertunga svarta hål.

Är detta mer än bara spännande spekulation? Låt oss se vad observationerna säjer. Vi måste börja med att tala om ett av astronomernas och astrofysikernas viktigaste arbetsmaterial - spektrumet.

Spektrum

Astronomerna iakttar fenomenen i rymden på i huvudsak två sätt - de observerar hur objekten ser ut och hur de skenbart rör sig över himlavalvet, och de undersöker det ljus objekten sänder ut.

Atomer som finns i het materia sänder ut ljus. Den våglängd där ljusets största intensitet finns beror på temperaturen - infrarött är kallt, rött är svalt, blått är hett och ultraviolett ännu hetare, röntgen obegripligt hett. Vi kan ta temperaturen på rymdgasen och stjärnorna.

Om ljuskällan är en gas, så är ljuset också märkt av alla de grundämnen som ingår i gasen. När man låter ljuset från en lysande gas gå genom ett prisma får man det som kallas spektrum med ljuset ordnat efter våglängder - samma fenomen som vi i naturen iakttar som regnbågar. På spektret lägger varje slag av atomer ut sina egna signaturer som mönster av linjer, varje linje har sin speciella bestämda våglängd. Den heta gasens linjer är ljusare än bakgrunden, men om ljuset passerar en gas som är kallare än ljuskällan kommer linjerna från gasen att avtecknas mörka över bakgrunden. Det beror på att atomerna i den mörka gasen absorberar ljus med våglängder som stämmer överens med deras egna signaturvårglängder - och det hela har att göra med energitillståndet i elektronskalen hos de atomer som gasen består av. Energinivåerna för varje nivå-språng i varje slags grundämnesatoms elektronskal är nämligen entydigt och svarar mot ett givet ljuskvantum. I det ljusa emissionsspektumet ser vi energipaketen rymma ut de exiterade atomerna, i absorptionspektrumen med de svarta linjerna är det atomer som tar åt sig de behövliga energikvanta för att bli exciterade.

För ungefär 150 år sedan lärde sig astronomerna att göra kemisk analys på solen och de andra stjärnorna genom att studera deras spektrallinjer. Den kemiska analysen av Universum visar att det mesta är väte, ungefär en fjärdedel är helium och bara 2 procent tyngre grundämnen.

Man kan utläsa annat också ur ett spektrum. Om gasen finns i ett kraftigt magnetiskt fält så påverkar magnetismen även spektrumet, man får en breddning av linjerna - den såkallade Zeemann-effekten - som gör det möjligt att mäta magnetismen i tillexempel Solen.

Vidare. Om grundämneslinjerna inte ligger på sina givna vågländer i färgspektrumet, så rör sig ljuskällan i synlinjens riktning. Regeln är enkel: En ljuskälla med linjerna förskjutna mot kortare väglängd, blå-förskjutning, kommer emot oss. När linjerna är förskjutna mot längre våglängd, rödförskjutna, rusar ljuskällan ifrån oss. Och om gasen är i kraftig turbulent, dvs virvlande rörelse, så kommer spektrallinjerna igen att breddas, men den breddningen ser något annorlunda ut än Zeemann-effekten och kan skiljas från den av vana astrofysiker.

Galaxer utanför vår den lokala galaxgruppen i Vintergatans närmaste omgivning, sådär 10 miljoner ljusår, visar grundämneslinjerna förskjutna mot rött, rödförskjutningen ökar ju större avståndet är - det är Universums generella utvidgning, som först påvisades av Edwin Hubble i slutet av 1920-talet.

Det finns också andra processer än värme som sänder ut radiovågor eller ljusstrålning eller påverkar den, astrofysikerna får uppgifter om rymdmaterians elektriska och magnetiska egenskaper.

Kvasarer och Seyfertar.

Kvasarerna är punktformiga strålningskällor, namnet är en förkortning av "kvasi-stellära objekt".
    År 1963 upptäckte astronomen Maarten Schmidt att kvasarernas rödförskjutning är så stor, att linjer av väte från spektrums synliga del har förskjutits till infrarött eller radiostrålning. Rödförskjutningen visar att kvasarerna ligger på miljarder ljusårs avstånd. Deras absoluta ljusstyrka motsvarar den från alla vår Vintergatas tvåhundra miljarder stjärnor.

Astronomerna räknar med att man nu (1996) kan observera omkring tre miljoner kvasarer bland Universums minst tretti miljarder galaxer som kan observeras från jorden. De mest avlägsna objekt som har upptäckts är kvasarer, de fanns med redan i det mycket unga Universum men tycks inte finnas kvar i vår epok. Spektrum visar också som nämnts om atomerna inne i en ljuskälla rör sig turbulent. Om spektrallinjerna är smala är gasen i ljuskällan ganska stillastående. Men om linjerna är breda - ja då befinner sig atomerna i ljuskällan i våldsam rörelse i förhållande till varann. I ljuset från kvasarer iakttar anstrofysikerna breddningar som visar att gasen har tvingats upp i hastigheter kring en tiondel av ljusets hastighet.

Kvasarernas ljusstyrka förändras på bara ett par timmar - alltså kan den del som sänder ut ljuset inte vara större än tusendelar av ett ljusår. Vintergatans diameter är 100 000 ljusår. Varifrån kan så mycket energi från så små områden komma? Bara från upphettade instörtande gasvirvlar runt svarta hål med massor likamed miljarder solar, och gränsdiametrar i storleksordning med vårt solsystem.

Alternativet är att hitta en annan förklaring till kvasarernas stora rödförskjutning, och det är inte så lätt - men det finns en minoritetsgrupp bland astrofysikerna som inte tror på kvasarernas stora rödförskjutningar som avståndsmätare.

År 1943 upptäckte astronomen Carl Seyfert att endel annars normala galaxer har kärnor som strålar mer intensivt än genomsnittet i synligt ljus. Numera känner man också till andra typer av galaxer med aktiv kärna. Några procent av alla galaxer har en sådan aktiv kärna. Rymd-observationer har visat att många av de aktiva galaxerna liksom kvasarerna strålar intensivt i ultraviolett och röntgen - ett tecken på mycket energirika processer.

Också de kan få sin energi ur gasmassor som störtar in i svarta hål, med massor på en halv till en miljard solmassor. Om sådana finns.

Vintergatans centrum.

Svarta hål som råkar ligga i tom rymd - eller som redan har svalt all gas runtom sig - dem kan man inte se direkt - men man kan konstatera om de finns genom att observera hur materien - gas eller stjärnor - i grannskapet rör sig.

Vår Vintergatas centrum ligger på 28 000 ljusårs avstånd från oss, i Skyttens stjärnbild - Sagittarius på latin - och det skyms av moln av gas och stoft, som stänger av synligt ljus. Däremot kan radiovågor, infrarött ljus och röntgenstrålning tränga igenom. Det centrala området har kunnat kartläggas med radioteleskop och infraröd-observationer från höga berg eller satelliter i rymden.
    Infrarödobservationerna visar att mängden stjärnor tilltar ju närmare centrum man kommer, inom de innersta tretti ljusåren finns en miljon stjärnor, medan där bara finns mycket tunn gas. I mitten av den täta stjärnhopen, i det som betraktas som Vintergatans absoluta centrum, finns en radiokälla, den är punktformig och kallas av astrofysikerna Sagittarius A* där asterisken uttalas "star". Röntgenstrålning kommer från samma område. Med långbas-interferometri har man mätt upp radiokällans diameter till endast tio gånger avståndet från jorden till solen.

I slutet av september 1996 publicerade Nature ett meddelande från Max Planck-institutet i Tyskland, att de har bevisat, att Sagittarius A* är en massanhopning med massan 2,5 miljoner gånger vår Sols massa och att detta nästan bevisar att det är fråga om ett supertungt svart hål.

Sagittarius A*

Vetenskapsmännen vid Max Planck-institutet har satsat på att studera hur massanhopningen påverkar stjärnorna nära Sagittarius A* . Att stjärnorna är i våldsam rörelse framgår av linjeförskjutningarna i deras spektra, men då spektralförskjutningen endast ger rörelse i synriktningen, emot oss eller från oss - krävs också att man mäter hur stjärnorna rör sig i den riktning som är i rät vinkel mot synlinjen för att få fram deras verkliga banor. Tyskarna inledde ett mät-projekt år 1992.

De stjärnor som ligger nära oss i rymden har en såkallad egenrörelse, som kan mätas - den är inte stor, stjärnbilderna under antiken såg likadana ut som de gör idag. Den skenbart allra snabbaste sjärnan, Barnards pilstjärna som förresten är den stjärna som är näst-närmast solsystemet på knappa sex ljusårs avstånd - den rör sig en sträcka som motsvarar månens skenbara diameter på himlen - en halv grad - på sådär 180 år.

Nu ligger Vintergatans centrum 28 000 ljusår borta. Även om stjärnorna där rör sig mycket snabbare än i vårt grannskap är det en bedrift av rang att egenrörelsen för 39 stjärnor där har kunnat mätas. Då uppgifterna om synlinjerörelse och egenrörelse kombineras visar det sig att de 39 stjärnorna rör sig i nästan cirkelformiga banor kring en centralkropp, som visar sig vara Sagittarius A*. Då hastigheterna och banornas form är kända kan man räkna ut att Sagittarius A* har en massa som är 2,5 miljoner gånger Solens massa.

Reinhard Genzel vid Max Planck-institutet är trots allt försiktig: "Det är en mycket stark indikation på att massanhopningen är ett svart hål. Nå varför tvekar jag ännu att hävda att vi har ett bevis," frågar han retoriskt. "Jo, innan vi går så långt så ska vi ge ut uppgifterna till kollegor runtom i världen och de kommer att granska dem. Om de inte hittar några motsägelser sådär tills i början av nästa år - då är det definitivt."

Vad säjer då kollegorna? Ja, en av publikationen Natures granskare, Mark Morris från Universitetet i Californien, skriver att de tyska observationerna " med föga osäkerhet visar att 2,5 miljoner solmassor döljer sig inom ett synnerligen litet område i vår Vintergatas centrum. De tyska mätningarna är samstämmiga med att all denna massa befinner sig i radiokällan Sagittarius A star, "skriver Morris.

(Efterskrift 2003: Det har sen dess inte kommit något motsägande fakta idagen medan indicierna har hopat sig och förstärker intrycket av att den första analysen är riktig.)

OM Sagittarius A* är ett svart hål med massan 2,5 miljoner solmassor så har det en gränsdiameter på omkring 15 miljoner kilometer, inte mer än tio gånger solens diameter, och virveln av tunn gas som driver radiostrålningen ryms väl inom de uppmätta maximi-dimensionerna, 10 au, tio gånger jordens avstånd från solen.

2,5 miljoner solmassor är förvisso en väldig mängd materia - men det är ändå bara mellan 1/50 000 till 1/100 000 av hela vår Vintergatas massa. Och det är bara en tusendel av de massor man hittar i kvasarer.
   2003: Intressant nog verkar proportionen mellan den tunga centralkroppens massa till galaxens massa vara mer eller mindre konstant för alla de galaxer där man har funnit indikationer på tunga centalkroppar. Detta tyder på att den tunga centralkroppens och galaxens uppkomst sker i något slags samband, vars natur ännu återstår att utreda.)

Under 1990-talet har bilder från Hubble Space Telescope visat stjärntätheter som tyder på liknande svarta hål i centrum av en del - men inte alla - av Vintergatans allra närmaste grannar i rymden. Svarta hål förefaller höra till regeln snarare än till undantagen även i galaxer som inte är aktiva som Seyfert-galaxer eller kvasarer. Andromedas stora galax M 31 har två sådana tunga centralkroppar, kanske en kvarleva av att M 31 är ett resultat av galaktisk kannibalism - eller galaktiskt konjugat om vi hellre vill uttrycka det så, sammansmältning i alla fall.

God vetenskap ger upphov till nya frågor för varje svar man får. Bland de många som har ställts väljer jag tre:

För det första, hur och när uppstod det svarta hålet i Vintergatas absoluta centrum och i centrum av några av våra granngalaxer, och varför är de så mycket mindre än de massor som finns i centrum av aktiva galaxer och kvasarer?

För det andra, vilken roll har de svarta hålen i centrum spelat i Vintergatans och de andra galaxernas utveckling?

Den tredje frågan blir: har centrum av Vintergatan nångång varit lika aktivt som en seyfertgalax eller en kvasar- och finns det risk för att det ska bli det igen?

Den tredje frågan är inte helt betydelselös för livet på Jorden eller för frågan om liv uten bland stjärnorna - för den kortvågiga, energirika strålningen från en kvasar eller en Seyfert-galax-kärna är stark nog att sterilisera solsystemen och hindra liv i största delen av vår Vintergata.

Universums kraftigaste smällare.

Gamma-strålning är den mest kortvågiga och mest energirika strålning som finns - På sextitalet sattes det upp militära varnings-satelliter som skulle upptäcka kärnvapensprängningar på Jorden. Nästan genast började instrumenten i satelliterna registrera kortvariga utbrott av gammastrålning från rymden. Under mer än två årtionden hade astrofysikerna inte ett hum om från vilka avstånd de kom. Eftersom de uppträdde över hela himlavalvet fanns det två möjligheter: antingen att de var näraliggande fenomen i vår egen del av Vintergatan, såpass nära faktiskt då, att Vintergatans form inte påverkade förekomsten. Eller, det gällde fenomen på kosmiska avstånd, ute från rymden bland Vintergatorna. Det obehagliga var bara att om avstånden till gamma-eruptionerna faktiskt var mycket stort så måste de också vara oförklarligt energirika.

Först år 1997 lyckades astrofysikerna med förbättrade detektionsmetoder och en god portion tur fånga in synligt ljus från stället där en gamma-eruption hade ägt rum - då fann man att trots att själva gamma-strålningen bara sänds ut under ett par tiotal sekunder, så lyser det till i röntgenstrål-området, i synligt ljus och tillockmed i radiovågsområdet i veckor och tillockmed månader - och nu fick forskarna bekräftelse på att gamma-utbrotten faktiskt ägde rum i avlägsna vintergator.

Om gamma-källan strålar runt åt alla håll måste det handla om energimängder som motvarar Solens massa omvandlad i energi på ett par sekunder.

Emellertid finns det den möjligheten att utbrottens strålning är riktad, Jorden råkar befinna sig rakt i vägen för en smal stråle. Då blir de totala energimängderna mycket mycket mindre än om det strålade ut åt alla håll - och ändå kan utbrotten upptäckas över hela det synliga Universum.

Det finns många exempel på astronomiska energikällor som är riktade. Fenomenen förekommer både i skalan enskilda stjärnor, och i skalan galaxer där den riktade materiastrålningen kan då slungas ut miljoner ljusår från galax-kärnan.

När astronomerna nu (2002) i drygt fem år har studerat gamma-utbrotten och den glöd i mindre energirik strålning som de sänder ut, så har de kommit till att utbrotten sänder ut en stråle med en öppningsvinkel som oftast är bara ett par grader. Det här betyder två saker:

För det första, att gamma-utbrotten inte är ohanterligt energirika- visserligen frigörs tio- till tjugofalt mera energi ur dem än det frigörs energi då EN tung stjärna exploderar som supernova, men mängden är i alla fall teoretiskt hanterbar, och det handlar om fenomen i storleksordningen massiv stjärna. Det är riktverkan som gör att strålningen syns så långt genom världsalltet. Och det tyder på att det handlar om ett svarta-hål-fenomen med massor som enskilda stjärnor inblandade.

För det andra är det bara en försvinnande liten del av gamma-utbrotten vi kan upptäcka, för varje utbrott som registreras av satellitdetektorerna blir sådär 500 osedda. Varje minut uppstår ett svart hål med en massa på några solmassor nånstans i det synliga Universum. Nå det synliga Universum är ganska omfattande , inom det ryms hundratals miljarder och åter hundratals miljarder Vintergator. Gamma-eruptionerna är alltså ytterst sällsynta fenomen i varje enskild Vintergata - en på hundra eller tvåhundra miljoner år kanske.

Det finns ändå astrofysiker som tror att något eller några av de stora utdöendekatastroferna i Jordens historia kan bero på att vi har blivit träffade av en sådan här interstellär dödsstråle från nån gammaeruption i vår egen Vintergata. Det måste förbli en trosfråga. Eller kanske inte.

Astrofysikerna finner en tänkbar kandidat i vårt omedelbara grannskap: stjärnan Eta Carinae7 000 ljusårs avstånd, som namnet anger är den en av de klara stjärnor som bildar stjärnbilden Kölen nere på södra himmelshalvklotet . Det är absolut sett en av de ljusstarka och massiva stjärnor astronomin känner. Under de senaste seklerna har den burit sig väldigt oregelbundet åt, och man kan misstänka att den när som helst genomgår sin slutliga explosion - och stor som den är så blir det ingen vanlig supernova utan kanske en hypernova - just en sån här gammaeruption. Skulle gammastrålen vara rktad mot oss så kan vi - trots avståndet 7 000 ljusår - hälsa hem. Till alla lycka är Eta Carinaes rotationsaxel inte riktad mot oss - det skiljer med 60 grader, så DEN stjärnan är inte vår Domedagsstjärna.

 


Skicka kommentarer till juhani.westman@welho.com
Tillbaka till första astro-sidan.
Tillbaka till paradsidan.