Hur definierar man ett svart hål ?

Man skulle kunna säga att ett svart hål är ett område i rymden där väldigt mycktet  koncentrerad massa. Alla föremål som kommer i närheten av ett svart hål, kan aldrig ta sig därifrån. Detta beror på fenomenet  flykthastighet.

Låt oss nu definiera uttrycket flykthastighet. Flykthastighet är den hastighet ett föremål behöver för att kunna fly från ett annat föremåls gravitationsfält. Flykthastighet är någonting som allt bestående av materia (och därmed har en gravitation) utövar på annan massa. Man skulle kunna säga att flykthastigheten beror på ytgravitationen. Ett exempel på detta är Jorden, den har en stor massa och därav en stor gravitation och flykthastighet. Jordens flykthastighet är ca 11.2 km/s (kilometer per sekund) vilket innebär att ett föremål mäste ha minst denna hastiget för att kunna fly jordens gravitationsfält och undvika att falla tillbaks eller komma i omloppsbana runt jorden. Men ytgravitation beror inte bara på massan utan också på avståndet till den. Detta innebär att om jorden på något sätt skulle pressas ihop, så skulle dess ytgravitation och därmed dess flykthastighet öka. Om jorden pressades ihop tillräckligt mycket , till ca 1cm i diameter eller mindre skulle dess flykthastighet vara större än ljusets ca 300000km/s och det är fort, väldigt fort. Det skulle innebära att ett föremål skulle vara tvungen att röra sig med ljusets hastighet för att kunna undkomma den lilla Jordens gravitation. Men enligt Einsteins relativitets- teori som bland annat säger att inget bestående av massa kan röra sig snabbare än ljuset. Detta innebär att det föremål som kommer innanför den här radien, inte skulle kunna ta sig därifrån. Jorden skulle då bli vad vi kallar ett svart hål.

Hur kommer svarta hål till ?

I princip skulle vad som helst kunna bli ett svart hål bara det komprimerades tillräckligt mycket. Men vilken kraft skulle då kunna komprimera ett föremål så pass mycket? Den enda kraft som vi känner till i dags läget är gravitationen. Gravitationen är i sig en mycket svag kraft den svagaste av de fyra (gravitation ,den svaga kärnkraften, den elektromagnetiska kraften och kärnkraften)som vi känner till idag. Det är inte helt sant att gravitationen är den svagaste kraften om man ser i liten skala så är den det men om man istället börjar tala om lite rejäla grejer så kan gravitationen öka i samma förhållande som med massan, dvs så pass mycket att den blir starkare än alla de andra tre tillsammans. Det enda föremål som vi känner till nu, pch har tillräckligt stor massa för att kunna utöva en sån enorm gravitation är vissa stjärnor. Dessa stjärnor måste dock vara väldigt massiva. För att du skall kunna förstå detta måste du nog ta och lära dig lite om hur stjärnorna utvecklas. Det kan du läsa om här...

Så, har du läst om hur en stjärna utvecklas nu ? Bra ! Då kan du fortsätta att läsa om hur stjärna blir ett svart hål...

Vi återvänder nu till vår stjärna, när den just har blivit till. Vad händer med den nu tro? Jo, den kommer att fortsätta fusionera vätet till helium. Men någon gång tar vätet ta slut och då kan inte trycket i kärnan längre balansera trycket från gravitationen. Det som händer då är att stjärnan börjar dra ihop sig tills den inre temperaturen uppnår ca 100 miljoner grader, dvs då heliumet börjar fusioneras till kol. När detta händer föds ett nytt stabilt tillstånd och det inre trycket balanserar trycket från gravitationen igen. De yttre lagren på stjärnan utvidgas under detta steg, vilket gör att stjärnan verkar större. Så här håller det på ett bra ta inne i vår "lilla" stjärna. Man kan alltså säga, att när ett grundämne tar slut så komprimeras stjärnan, så att det tyngre grundämnet som bildats kan användas som nytt kärnbränsle. Men allt mindre och mindre energi utvinns ur processerna och tillslut har stjärnan nästan nått sitt slutgiltiga öde. När sedan järn har bildats kan inga fler kärnproccesser hindra stjärnan från att  kollapsa utan den krymper och krymper snabbare och snabbare tills temperaturen i kärnan blir så våldsamt att de kvarvarande ämnena järn etc, förbränns nästan omedelbart och stjärnan exploderar i en gigantisk supernova som utstrålar för ett kort ögonblick (bara ett tiotal år !, hmm...skulle det vara en kort tid?) nästan lika mycket ljus som en hel galax. Den här explosionen som uppstod kastade ut stjärnans yttre skal i rymden och den förlorade det mesta av sin massa. Men om det ska bli ett svart hål av stjärnan nu, beror på hur mycket massa som finns kvar. Man skulle kunna säga så här, om den massan som finns kvar av stjärnan är ungefär lika stor som våran sols t.ex. så kommer den krympa å krympa för att tillslut stoppas av den elektromagnetiska kraften och bli en vit dvärg med en storlek som jorden ungefär. Om den kvarvarande massan istället skulle vara mellan 1,4 - 1,7 solmassor så kommer inte den elektromagnetiska kraften kunna hejda krympningen vilket får till följd att stjärnan kommer att fortsätta krympa tills den hejdas av kärnkraften. När detta inträffar har alla elektroner och protoner ombildats till neutroner p.g.a diverse processer som vi inte ska gå in på här, för de är alldels för krångliga att förstå (skulle kunna göra en hemsida/fysik-arbete om bara det). När detta inträffar kallar man stjärnan för en "neutron stjärna" den har en storlek nån - några kilometer i diameter och därmed en enorm täthet (flera miljarder ton per kubik decimeter). Men om den kvarvarande massan än 1,7 solmassor då? Vill du veta det? Okej, även här kommer inte kärnkraften lyckas hejda kollapsen och stjärnan kommer att krympa och krympa till en punkt som har en oändlig densitet och det bildas ett sk svart hål, ÄNTLIGEN!! (i och försig så kan det vara möjligt att det finns ytterligare någon kraft som vi inte känner till, men som hindrar total kollaps efter Schwarzschild radien men detta kan vi tyvärr inte upptäcka eftersom det svarta hålets natur är alldels för komplicerat) . Man va fan har hänt med den här krympande punkten nu ra?, kanske någon undrar. Jo det är så här det svarta hålet omges nu av en "händelsehorisont". Det är den gränsen där flykthastigheten blir större än ljuset, vilket betyder att allt som korsar den här gränsen aldrig kommer att kunna ta sig därifrån (läskigt!). Avståndet mellan denna lilla oändliga punkt och den här händelse horisonten kallas Schwarzschild radien och den bestäms av det svarta hålets massa, ju mer massivt ett svart hål desto större Schwarzschild radie. Vilket gör att svarta hål verkar enormt stora fast att det bara verkar röra sig om en oändligt liten punkt (fattar ru nu?, inte! läs en gång till då så förstår du nog).

Egenskaperna hos ett svart hål

I stort sätt så påverkas ett svart hål sin omgivning precis likadant som en stjärna med samma massa. Det vill säga att det skulle kunna ha ett flertal satelliter, planeter etc.som åkte omkring i en omlopsbana runt det precis som runt våran sol. I det här "svarta hål systemet" skulle mycket kunna fungera precis som i vårt solsystem med undantaget att det skulle vara mycket mörkt och kallt eftersom det svarta hålet inte utstrålar något ljus (om inte den höll på att sluka materia från en närliggande nebulosa eller stjärna förstås). Men om vi närmar oss det svarta hålet så skulle saker och ting börja skilja sig mycket från en vanlig stjärna. Det är alltså så att ett svart hål inte fungerar som en gigantisk dammsugare som drar åt sig "all" materia. Det är bara det att man kan komma så mycket närmare den punkt där all tyngd verkar samlad. Men vad händer då med ett föremål som faller mot och in i ett svart hål? Vi kan låtsas att du som läser detta är föremålet och att du faller mot ett svart hål. Först i början skulle du inte känna gravitationskrafternas verkan utan du skulle falla fritt dvs att varenda del av din kropp dras åt samma håll och du skulle känna dig tyngdlös. Men när du börjar närma dig det svarta hålet så börjar du känna "tidvattenkrusningar" ( kallas så eftersom det är samma kraft som orsakar tidvatten på Jorden). Tänk dig att dina fötter är närmare det svarta hålet än ditt huvud. Eftersom gravitationen blir starkare ju närmare det svarta hålet man befinner sig så kommer dina fötter känna en större dragningskraft än ditt huvud. Ju närmare det svarta hålet du kommer desto större blir skillnaden mellan dragningskraften på ditt huvud och dina fötter och till slut kommer du att slitas sönder av dessa krafter. Men om vi inbillar oss att du av någon anledning undviker att påverkas av dom här tidvattenkrusningarna. Då kommer du att fortsätta falla och tillslut kommer du falla förbi händelsehorisonten. Du kommer nödvändigtvis inte att märka något speciellt när du korsar den förutom att avlägsna föremål kan verka flytta på sig eftersom det svarta hålet böjer ljus (det svarta hålet hindrar ju trots allt ljus från att komma ut men inte in). Men allt detta spelar ingen roll då det bara är bråkdelar av sekunder kvar tills du når singulariteten i centrum och krossas ihop och blir en del av den.

Men man har också konstaterat att material som faller in mot ett svart hål utstrålar enorma mängder energi i form av gamma strålar etc. För närmare förklaring se under Bevis För svarta håls existens.

Nu kanske någon undrar om två svarta hål kan krocka med varandra och vad som händer i så fall? Det som händer när två svart hål krockar med varandra är helt enkelt att det bildas ett nytt större svart hål. Efterhand som det båda hålen närmar sig, dras de ut till en långsträckt form p.g.a. den enorma tyngdkraften de båda hålen har. När hålen "smälter" ihop med varandra, uppstår det en form av vibrationer i rymden. Dessa vibrationer sprider sig långt ut i rymden i form av s.k. tyngdvågor. I USA har man nyligen lyckats lösa de komplicerade beräkningar som kan visa vad som händer när två svarta hål kolliderar. Simuleringen har gjorts på en superdator hos National Center of Supercomputing Applications vid university of Illinois. Där har forskarna simulerat en kollision mellan två svarta hål som snurrar runt i en spiralbana, runt varandra för att sedan dra sig in i varandra och sedan smälta ihop till ett enda stort hål.

Kan ett svart hål dö ?

I första anblick verkar svarta hål vara mycket stabila eftersom ingen massa kan fly från dem dvs att deras massa bara kan öka vilket bara skulle få det att växa. Men så är förmodligen inte fallet då Stephen Hawking under 70 talet fann teoretiska argument som tyder på att svarta hål inte är riktigt svarta. Eftersom de avger strålning. Och energin som strålningen består av verkar komma från det svarta hålets massa. Om den här teorin är riktig ( man kan naturligtvis inte vara helt säker då man inte vet hur de fysiska lagarna uppträder inuti ett svart hål) så betyder det att det svarta hålet någon gång kommer sluta vara ett svart hål och "dö". Exakt vad som kommer hända med det svarta hålet vet man inte idag men man har vissa teorier. En av dessa är att det svarta hålet kommer att göra av med så mycket massa så att dess flykthastighet tillslut blir lägre än ljuset och det blir en stabil himlakropp. En annan teori är att det svarta hålet krymper och krymper för att slutligen försvinna och en tredje teori säger att det svarta hålet kommer göra sig av med energin i allt snabbare takt för att tillslut explodera i en gigantisk explosion.

Finns det svarta hål ?

Forskarna är övertygade om att dom har hittat ett svart hål. Det ligger i galaxen M87, som ligger ca 50 miljarder ljusår från Jorden. Det hittades av hubble teleskopet. Ett svart hål har så stor tyngdkraft att inte ens ljuset kan komma ut därifrån. Detta betyder att det svart hålet är osynligt, eller svart. Det är alltså inte det svarta hålet "hubble" har fotograferat, utan omgivningen runt hålet. Bilderna hubble har tagit visar en virvel av glödande gaser som rör sig i en hastighet av ca 550 km/s eller 2 miljoner km/h runt galaxens centrum, matematiska beräkningar visar att gaserna bara kan komma upp i så höga hastigheter om ett svart håls tyngdkraft drar in dem. På ett avstånd av 60 ljusår från det svarta hålet är hastigheten på gasen uppe i 550 km/s och temperaturen uppe i 10 000 grader celsius. När gasen kommit så nära som ett ljusår från det svarta hålet har gaserna en hastighet uppåt 4200 km/s och temperaturen över 100 000 grader celsius. Ännu närmare hålet närmar sig gasen ljusets hastighet och temperaturen är uppe i flera miljoner grader.

År 1917 upptäckte astronomerna aktivitet i galaxen M87. De såg på fotografier en lång gasström, en s.k. "gajset" som sträckte sig ut från kärnan. När astronomerna på 50-talet fick radioteleskop upptäckte de att M87 sände ut mycket radiostrålning, och detta är ganska ovanligt för en galax, och det uppfattades som att det hände något ovanligt i M87. Astronomerna började att samla ihop upplysningar om denna gåtfulla "gajset". Den strålade ut från båda sidorna från galaxen och innehöll flera lysande moln med en utsträckning på tio ljusår. Strålningen från "gajset" är en s.k. synkronstrålning, dvs den typ av strålning som uppstår när elektroner rör sig väldigt snabbt i ett magnetfält. Dessa observationer är ett tecken på att det finns ett svart hål i galaxen M87.

Svarta hål är mycket svåra att upptäcka men det är som sagt inte omöjligt att finna dem (se ovan). En metod att finna dem är att leta efter binära stjärnsystem, där den ena parten inte syns men man kan ana att någonting tillräckligt massivt finns där, som är tillräckligt massivt för att rubba en stjärnans ur bana och "detta" kan man anta vara ett svart hål. Det här svarta hålet skulle då dra bort stora gas stycken av stjärnan i närheten. Denna våldsamma temperaturstegring som du läste om i stycket ovanför, skulle kunna få gaserna att utstråla enorma mängder röntgen och gammastrålning. Här ifrån jorden skulle vi se dessa starka strålar i pulser, eftersom strålningen blockeras av den stjärna ( en gång per varv) som det svarta hålet går runt. Man har idag funnit ett flertal sådana här binära stjärnsystem bl.a i Cygnus X-1.

Ett annat bevis för att svarta hål existerar är det faktum att de flesta galaxer verkar ha en rotationstid som tyder på att de mäste ha en betydligt större massa än vad vi kan se   idag. Annars skulle galaxens stjärnor kastas ut i rymden. Den enda logiska förklaringen som verkar rimlig i dagens läge är att det finns ett supermassivt svart hål i varje galaxs centrum.

Även de här teorierna stöds av observationer på bl.a. galaxen NGC 4261. Den galaxen kan man hitta på ett avstånd av ca 100 miljoner ljusår från Jorden. Den verkar ha ett supermassivt svart hål i sitt centrum vilket omges av ett 800 ljusår långt dammoln som fungerar som ett stark rötgenstrålnings källa.

SLUT ORD !

Vi har inte mycket att säga till dig som läst detta, förhoppnigsvis intressanta lilla arbete om svarta hål, men vi säger som en känd snubbe en gång sa : "Ett hål bllr bara större och större desto mer man tar av det!".