Hvorfor lyser de Sorte Huller? Niels Lund, DTU Space

Hvorfor lyser de Sorte Huller? Niels Lund, DTU Space

Først lidt om naturkræfterne: I fysikken arbejder vi med fire naturkræfter Tyngdekraften. Elektromagnetiske kraft. Stærke kernekraft. Svage kernekraft. En dagligdags kraft vi alle kender. Først beskrevet af Newton (1687) siden af Einstein (1911-16). Indtil moderne tid opfattet som to adskilte kræfter: de elektriske og de magnetiske. Ørsted (1820) opdagede at elektriske strømme skaber magnetfelter, og Maxwell (1864) kunne forene de to sider i én enkelt matematisk beskrivelse. Holder atomkernerne sammen. (Yukawa, 1935) Forårsager radioaktive henfald af atomkerner. (Fermi 1932) 2 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet

Tyngdekraften er svag men den rækker langt! Tyngdekraften er i sig selv den svageste af de fire naturkræfter. Inde i atomerne dominerer kernekræfterne og den elektriske kraft. Men kernekræfterne har meget kort rækkevidde, de mærkes kun helt inde i atomkernerne. De elektriske kræfter fra positive og negative elektriske ladninger i atomerne afbalancerer hinanden, så vi mærker dem kun svagt udenfor atomerne. Men tyngdekraften har ikke plus og minus den kan ikke ophæves eller afskærmes. Så det bliver alligevel tyngdekraften der vinder til sidst. 3 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet

Nu lidt om kanonkugler: Jules Verne forestillede sig i 1865 at vi kunne rejse til Månen ved at blive skudt ud af en kanon. Han brugte Newtons mekanik og regnede ud at kanonkuglen skulle sendes afsted med en fart på godt 11 km/s for at komme fri af Jordens tyngdekraft. 4 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet

Flere kanonkugler Men længe før Jules Verne havde franskmanden Michell i 1784 leget med de samme tanker, og havde indset at hvis man skulle undslippe Solens meget større tyngdekraft skulle kanonkuglens hastighed være 62 km/s. Michel legede videre med tanken og forestillede sig stjerner så tunge at kuglen skulle have en hastighed på 300 000 km/s så ville ikke engang lyset kunne undslippe fra stjernen og vi ville have en mørk stjerne!! Så tanken om sorte huller er slet ikke ny. Alle disse overvejelser byggede på Newtons beskrivelse af tyngdekraften. 5 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet

Einstein og de sorte huller Efter at Einstein i 1916 havde færdiggjort relativitetsteorien kunne den tyske fysiker Karl Schwarzschild beskrive de sorte huller på et mere solidt teoretisk grundlag. Men indtil begyndelsen af 1960 erne forblev de sorte huller en teoretisk kuriositet der var ikke rigtig nogen der troede at de virkelig eksisterede. Der var sikkert også mange der mente, at det ville det være umuligt at observere dem, de var jo netop sorte fordi lyset ikke kunne slippe væk. 6 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet

Den ny astronomi radio- og røntgenstråling I begyndelsen af 1960 erne skete en voldsom udvikling i astronomien. Man opdagede nogle mærkelige radiostjerner, kvasarerne som de optiske astronomer senere fandt var de stærkt lysende centrer af umådeligt fjerne galakser. På grund af det blændende lysskær varede det mange år før man opdagede galakserne omkring kvasarerne. Men hvad var det der lyste så stærkt og hvor kom al den energi fra? 7 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet

Tvillingeradiokilder Radioastronomerne opdagede også et andet mærkeligt fænomen: tvillingeradiokilderne. Mange af radiokilderne rundt om på himlen var dobbelte, og når man så nærmere efter, så fandt man altid en galakse midt imellem de to radiokilder. Og i mange tilfælde kunne man se en tynd stråle skyde ud fra galaksen i retning af de to radiokilder. Galaksen kunne over uhyre afstande fodre skyerne med masser af energi. Hvordan kunne det gå til? 8 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet

Stjerner med røntgenstråling! Og så kom de første raketter med røntgendetektorer, og de fandt at himlen var fuld af stjerner der udsendte røntgenstråling! Men det burde slet ikke kunne lade sig gøre for en almindelig stjerne at blive så varm at den lyser i røntgenstråling? Igen var naturen smartere end vi! 9 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet

Pulsarer Et andet uventet fænomen dukkede også op: pulsarerne. Først opdaget i radioområdet, og siden også fundet i røntgenstråling, stjerner der blinker med et urværks præcision - nogle med minutters mellemrum, men andre blinker mange gange i sekundet. Blinkenes præcision tydede på at de var styret af en roterende stjerne, men hvilken stjerne kunne tåle at rotere mange gange i sekundet? 10 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet

Neutronstjerner og sorte huller Det hele begyndte at falde på plads da man kom i tanker om Schwarzschilds sorte huller og en anden teoretisk spidsfindighed fra 1930 erne: neutronstjerner. Pulsarernes regelmæssige blink kunne forstås som signaler fra roterende neutronstjerner og kvasarerne hentede ikke deres enorme lysstyrke fra normale stjerner men måske fra et kæmpemæssigt sort hul som opslugte stjerner, gas og støv. 11 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet

Så hvorfor lyser de sorte huller? De sorte huller lyser ikke! Det kan de ikke ifølge deres natur. Men hvis de bliver fodret med gas og støv fra en nabostjerne så vil denne gas ofte danne en glødende skive omkring det sorte hul, og i denne skive kan temperaturen blive mange millioner grader og så lyser skiven i røntgenstråling! 12 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet

Et lille sort hul i vores egen Mælkevej I 1992 opdagede vi med et danskbygget instrument en ny røntgenkilde i nærheden af Mælkevejens centrum. Det viste sig at være en meget mærkelig kilde der hele tiden blafrer og blinker helt uregelmæssigt. Vi ved nu at det er et sort hul med en masse på 10 solmasser. Radioastronomerne har observeret at denne kilde fra tid til anden skyder vældige skyer af plasma ud i rummet. Data fra MERLIN Data fra INTEGRAL 13 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet

Et sort hul i centrum af hver galakse? I dag mener vi at der i centrum af hver galakse findes et supermassivt sort hul med en masse svarende til millioner måske mange milliarder solmasser. Hubble deep field data 14 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet

Det sorte hul i centret af vore Mælkevej I centret af vores egen Mælkevej ligger også et stort sort hul med en masse på 3 millioner solmasser. Men det er næsten usynligt. Så sorte huller er svære at se hvis de ikke bliver fodret godt! det er virkelig næsten helt sort! Her 3 mill M Sol Her 10 M Sol 15 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet

En smuk solnedgang inden i et sort hul? Er det meget slemt at være inde i et sort hul? Det kommer an på hvor stort det sorte hul er! Små sorte huller (1-10000 solmasser) er ikke rare. Der bliver man trukket i stykker af tyngdekraften. Men et sort hul med en milliard galakser kan være fint nok. Det er måske der vi selv bor! 16 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet

Schwarzschild Radier (R S ) Radius for et sort hul afhænger kun af massen inde i hullet Månen Jorden Solen Mælkevejen Universet 7 10 22 kg 6 10 24 kg 3 10 30 kg 2 10 41 kg 2 10 53 kg 0.01 mm 1 mm 3 km 2 10 11 km 2 10 23 km (11 lysdage) 17 DTU Space, Danmarks Tekniske Universitet