Svart hål

Överviktiga svarta hål slår alla rekord

En forskargrupp har räknat ut att det i universum troligen finns en ny typ av svarta hål, som har minst 100 miljarder gånger större massa än solens. Om dessa giganter existerar kan de lösa gåtan om den mystiska mörka materien.

En forskargrupp har räknat ut att det i universum troligen finns en ny typ av svarta hål, som har minst 100 miljarder gånger större massa än solens. Om dessa giganter existerar kan de lösa gåtan om den mystiska mörka materien.

Shutterstock

Långt bort från jorden, i stjärnbilden Jakthundarna, bor ett kosmisk monster som äter allt som kommer i dess närhet.

Monstret är ett ultratungt svart hål, som väger omkring 66 miljarder gånger mer än solen och som är lika stort som vårt solsystem.

Det svarta hålet mitt i kvasaren TON 618 är det största i astronomernas rekordbok. Men enligt ny forskning är det bara en liten plutt jämfört med en rad ännu inte observerade svarta hål, så kallade SLAB (stupendously large black holes), som kan finnas där ute i mörkret.

”Vi definierar SLAB som svarta hål som väger mer än 100 miljarder gånger solens massa. De har inte observerats i mitten av galaxer – kanske för att de hade slukat den kringliggande galaxen – men de kan eventuellt förekomma i den intergalaktiska rymden”, säger Bernard Carr, professor emeritus i matematik och astronomi vid Queen Mary University i London, till Illustrerad Vetenskap.

Om svarta hål av typen SLAB existerar kan de eventuellt hjälpa oss att lära oss mer om det tidiga universum.

Tillsammans med kollegorna Florian Kühnel och Luca Visinelli ligger han bakom matematiska beräkningar som visar att universum kan dölja svarta hål som väger flera tusen miljarder gånger mer än solen – lika mycket som Vintergatans alla stjärnor tillsammans.

Om svarta hål av typen SLAB existerar kan de kanske hjälpa oss att komma underfund med mer om det tidiga universum och den mystiska mörka materien, som finns överallt i universum men som astronomerna ännu inte kan förklara.

Finns i alla storlekar

De gåtfulla svarta hålen har länge fascinerat astronomerna.

År 1783 lade den brittiske geologen John Michell fram en teori om himlakroppar med så stark gravitation att inte ens ljus släpps ut från dem.

Han kallade dem ”mörka stjärnor”. Michell insåg att vissa stjärnor kunde ha så stark gravitation att stjärnans flykthastighet, den hastighet som krävs för att ett rymdskepp eller en ljuspartikel ska kunna lämna den, översteg ljusets hastighet.

Fusion av svart hål och stjärna
© ESO/L. Calçada/M.Kornmesser

Frosseri och fusion får svarta hål att växa

Svarta hål kan växa dels genom att dra till sig gaser, dels om den ena av två stjärnor i ett dubbelt stjärnsystem blir ett svart hål och därefter slukar den andra. Två svarta hål kan också attrahera varandra och slutligen mötas i en gigantisk kollision som får dem att fusionera och bli till ett enda gigantiskt svart hål.

Hundratrettiotvå år senare, 1915, lade Albert Einstein den teoretiska grunden för svarta hål med sin allmänna relativitetsteori och ett drygt århundrade senare, 2019, kunde en internationell forskargrupp bakom Event Horizon Telescope visa en bild av en lysande krans av glödheta gaser som virvlar runt det roterande svarta hålet i galaxen Messier 87.

Svarta hål finns i mängder av varianter, allt från pyttesmå hål som bara väger tre solmassor eller kanske ännu mindre, till ofattbart stora, tyngre än någon himlakropp som uppmätts.

Supertunga svarta hål finns i mitten av många galaxer. Ett exempel på det är Sagittarius A*, det svarta hålet i vår egen galax Vintergatan, som väger omkring fyra miljoner gånger så mycket som solen. Det supertunga svarta hålet i mitten av Messier 87 är ännu större. Det är omkring 6,5 miljarder gånger tyngre än solen.

I jämförelse med dessa två kan ett SLAB väga från 100 miljarder upp till en triljon – en miljard miljarder – gånger mer än solen.

”Det mest uppseendeväckande med de svarta hålen är att de kan existera i ett enormt stort spann av massor, allt från Planckmassan (omkring en hundratusendel av ett gram, red.) till kollapsade stjärnor på 10–100 solmassor och supertunga svarta hål på en miljon till en miljard solmassor – och så kanske SLAB”, säger Bernard Carr.

Kan härstamma från tidernas begynnelse

Gemensamt för svarta hål är att de när de väl har bildats kan växa sig större och större med tiden.

Det mest uppseendeväckande med de svarta hålen är att de kan existera i ett enormt stort spann av massor. Bernard Carr, professor emeritus i matematik och astronomi vid Queen Mary University i London

De suger till sig gaser och damm som om omgivningarna vore ett buffébord och växer sig på så vis större. Därmed blir densiteten av materien i ett svart hål oändligt stor.

Som Bernard Carr påpekar är SLAB så stora att de troligen inte förekommer i mitten av galaxer, eftersom de då med tiden hade slukat all materia i galaxen. Den enorma massan innebär att de måste vara mycket gamla för att ha hunnit bli så stora.

Därför tror forskarna att SLAB kan ha bildats i det tidiga universum, redan innan galaxerna uppstod efter stora smällen. I detta tidiga stadie dominerades universum av strålning.

Bernard Carr

Professor Bernard Carr vid Queen Mary University i London tror att en del extremt stora svarta hål kan ha bildats av tätt packad materia i det tidiga universum.

© Bernard Carr

”De kan vara av primordialt ursprung, vilket betyder att de bildades tidigt i universums historia, då det präglades av strålning. De kan ha uppstått ur primordiala svarta hål, eftersom de måste ha växt enormt mycket efter det att de bildades”, menar Bernard Carr.

Avger kanske gammastrålning

De primordiala svarta hålen härstammar från universums barndom, då svarta hål inte kunde bildas av en kollapsande stjärna.

På den tiden fanns det nämligen varken galaxer eller stjärnor. I gengäld var materien tätt packad, så lokala rörelser kan ha gett materien den knuff som krävs för att sätta i gång bildningen av ett svart hål.

Frågan är också om de svarta hålen är en del av förklaringen till universums mörka materia.

Mörk materia är astronomernas beteckning för omkring 85 procent av universums materia som ännu inte har observerats, men som kan förklara gravitationsfenomen som inte är rimliga om man enbart utgår från synlig materia i form av galaxer och stjärnor.

Det gäller till exempel rörelser av stjärnor inne i galaxer och galaxers egna rörelser, som astronomerna inte kan förklara utan den mörka materien.

Svart hål, ljus
© Shutterstock

Böjt ljus och gravitationsvågor ska avslöja SLAB

Krusningar i rumtiden och en kosmisk linseffekt som böjer ljus runt stjärnor kan skvallra om närvaron av SLAB i universum.

Universum, ljus
© Hubble/ESA/NASA

Tunga himlakroppar böjer ljus

Tunga himlakroppar i universum, till exempel stjärnor, planeter och galaxer, kan ge upphov till en optisk effekt där de fungerar som en lins, som böjer ljus från andra himlakroppar direkt bakom galaxen.

Svart hål, rekord
© Mark Garlick/Getty Images

Gravitationsvågor orsakar krusningar i rumtiden

Gravitationsvågor är krusningar i rumtiden som uppstår när exempelvis två svarta hål roterar runt varandra eller kolliderar. Utifrån bland annat storleken på gravitationsvågens svängningar kan astronomerna beräkna de svarta hålens massa.

Universum
© M. Postman (STScI), the CLASH Team, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/ESA/NASA

Partiklar avger strålning

Elementarpartiklar som wimpar (weakly interacting massive particles) är kanske en del av den mörka materien. Om wimpar existerar avger de gammastrålning i mötet med en så kallad antipartikel vid det svarta hålets händelsehorisont.

Just mörk materia kan indirekt visa sig spela en roll i upptäckten av SLAB, om de enorma svarta hålen nu visar sig finnas där ute.

Ett SLAB skulle kunna upptäckas med den gravitationella linseffekten.

Som namnet antyder kan en stjärna, galax eller andra tunga himlakroppar i universum fungera som en optisk lins, som böjer ljus.

Böjningen beror på att rumtiden kring exempelvis en stjärna eller ett svart hål kröks till följd av gravitationen. Ljuset från en stjärna eller en galax bakom objektet böjs då runt objektet i stället för att fortsätta rakt fram.

Denna princip utnyttjas redan i dag i teleskop för att se ”runt” vissa galaxer och stjärnor.

I princip skulle ett SLAB också kunna upptäckas med hjälp av gravitationsvågor, det vill säga små krusningar, eller vågor, i rumtiden som uppstår när exempelvis två svarta hål slukar varandra. I dag kan gravitationsvågor registreras av instrumentet Ligo (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) i USA.

Ett mer okonventionellt sätt att avslöja de gigantiska svarta hålen är genom så kallade wimpar (weakly interacting massive particles), elementarpartiklar som eventuellt bildas i samband med den mörka materien.

”De skulle bilda en gravitationsorsakad haloeffekt kring varje SLAB och utplåningen av dem skulle avge en gammastrålningssignal”, säger Bernard Carr.

Nyckeln till en teori om allt

En sådan signal skulle kunna registreras med teleskop från jorden och därmed avslöja både existensen av SLAB och av en elementarpartikel med nära kopplingar till ett av universums stora mysterier: mörk materia.

Därmed fortsätter de svarta hålen att vara huvudpersoner i astronomernas sökande efter svar på några av fysikens och kosmologins största gåtor. På grund av deras extrema egenskaper är de svarta hålen även skådeplats för en cirka 100 år lång kamp för att förena kvantmekaniken och relativitetsteorin.

Det är de två teorier som både beskriver hur allt det minsta i universum fungerar, däribland fotoner och elektroner, och allt det största, till exempel planeter, stjärnor och galaxer.

I ett svart hål sätts båda teorierna på svåra prov och därför hoppas forskarna att svaret kan dölja sig här.

”Det är sannolikt att studierna av svarta hål är nyckeln till att förena den allmänna relativitetsteorin med kvantmekaniken, fysikens heliga graal”, säger Bernard Carr.