Svarta hål ska filmas

2019 såg vi den första bilden av ett svart hål. Nu ska forskarna använda ett jättelikt nätverk av teleskop för att filma det ­supertunga svarta hålet i Vintergatans mitt. Inspelningen kan visa vad som sker när våra teorier om universum pressas till det yttersta.

2019 såg vi den första bilden av ett svart hål. Nu ska forskarna använda ett jättelikt nätverk av teleskop för att filma det ­supertunga svarta hålet i Vintergatans mitt. Inspelningen kan visa vad som sker när våra teorier om universum pressas till det yttersta.

Shutterstock

Den suddiga bilden av lite gult och brandgult ljus med en mörk, rund skugga i mitten såg inte mycket ut för världen när den presenterades för allmän­heten den 10 april 2019. Det rörde sig dock om en sensation: Den första bilden någonsin av ett svart hål – eller rättare sagt av det som finns alldeles intill ett svart hål.

Som namnet antyder är svarta hål osynliga. Deras enorma gravitation suger till sig allt och hindrar till och med ljus från att ta sig ut.

Bilden visade dock så pass skarpa konturer av det svarta hålet att astronomerna bakom bedriften kunde säga att de för första gången hade ”sett något som vi trodde inte gick att se”.

Sin ljusskygga natur till trots är de svarta hålen ett av de mest studerade astronomiska fenomenen, både för att de är mystiska och för att de enligt astrofysikerna har en avgörande betydelse för universums utveckling och bildningen av galaxer, stjärnor och planeter – och därmed även för oss människor här på jorden.

Därför registrerar astronomer allt som sker vid de svarta hålen när deras enorma gravitation får tid och rum att virvla runt i den kringliggande rymden.

Därför ägnade hundratals forskare flera år åt att observera yttre rymden med hjälp av ett världsomspännande nätverk av teleskop, allt för att kunna pussla ihop en suddig gul och brandgul cirkel runt en mörk skugga.

Döda stjärnor är osynliga

Inte ens ljus undslipper svarta hål. Forskarna kan dock se att de svarta dammsugarna finns eftersom hålens starka gravitationsfält påverkar allt i deras närhet.

© NASA/JPL-Caltech & ESO/MPE/S. Gillessen et al. & NASA/CXC/W. Forman et al. & NASA’s Goddard Space Flight Center

Stjärnor kretsar runt det svarta hålet

Astronomer upptäcker vanligen svarta hål genom att stjärnor tycks kretsa runt ingenting, det vill säga en himlakropp som är mycket massiv men som inte avger någon strålning. Det kan bara vara ett svart hål.

© NASA/JPL-Caltech & ESO/MPE/S. Gillessen et al. & NASA/CXC/W. Forman et al. & NASA’s Goddard Space Flight Center

Strålning avslöjar enorm energi

Ljus och annan strålning undslipper inte ett svart hål, men skivan runt ­hålet avger stark strålning eftersom gas och damm där slungas runt och värms till miljontals grader.

© NASA/JPL-Caltech & ESO/MPE/S. Gillessen et al. & NASA/CXC/W. Forman et al. & NASA’s Goddard Space Flight Center

Gravitationsvågor ­förvränger rymden

När två svarta hål smälter samman friges energi i form av så kallade gravitationsvågor som rullar genom rymden och deformerar den. Vågorna kan mätas med extremt känsliga detektorer på jorden.

Det här är dock bara början. Nu riktar astronomerna sina teleskop mot det svarta hålet i Vintergatans mitt, men inte för att ta en ögon­blicksbild utan för att spela in en film som kan visa om fysikens lagar håller när de pressas till sin yttersta gräns.

Omgivningar avslöjar hål

Ett svart hål är kort sagt en extremt stor massa sammanpressad på ett litet område. Gravitationen blir allt starkare mot mitten, där så mycket massa finns samlad på ett försvinnande litet område att kraften blir oändligt stor – så stor att den kröker både tid och rum.

En sådan punkt kallas en singularitet. Singulariteter introducerades av Albert Einstein när han år 1915 lade fram sin allmänna relativitetsteori, som är vår bästa beskrivning av gravitationens natur.

En bild av ett svart hål är i själva verket en ”skuggbild”. Silhuetten utgörs av fotoner bakom hålet som böjs av gravitationen och färdas i riktning mot jorden.

© ken ikeda madsen/Shutterstock

Faktum är att Einstein själv betvivlade singularitetens existens, men den är i dag astrofysikernas enda förklaring på de fenomen vi kan observera kring svarta hål.

Hålens densitet är så extrem att forskarna betraktar dem som naturens eget laboratorium, där vi kan testa om vår förståelse av gravitationen faktiskt håller när den pressas till det yttersta.

Runt ett svart hål virvlar damm och gas i den så kallade tillväxtskivan. Det innersta av skivan sugs efter hand in i hålet av gravitationen.

När materien kommer tillräckligt nära passerar den händelsehorisonten, som kanske är fysikens mest fascinerande skiljelinje, för om en himlakropp – eller ljus – passerar den finns det ingen återvändo. Händelsehorisonten är därmed också gränsen för våra insikter i ett svart hål.

VIDEO: Experter svarar på frågor – “Varför är bilden så suddig?”

Astronomer studerar därför svarta hål genom att observera vad som sker i deras närhet. De svarta hålens gravitation får till exempel stjärnor att kretsa runt dem och ett håls massa kan räknas ut med hjälp av stjärnornas massor och banor.

Närmare de svarta hålen avges kraftig strålning, som kan mätas från jorden och som kommer från extremt varm gas.

Nära händelsehorisonten är gravitationsfältet så starkt att fotoner, strålningens beståndsdelar, låses fast i banor runt hålet.

Banorna är instabila, vilket gör att fotonerna antingen faller in i det svarta hålet eller slungas iväg.

Vissa av dem slungas åt vårt håll och kommer till jorden efter miljontals år – om de inte stöter på några hinder på vägen, böjs undan av and­ra tunga himlakroppar eller – på resans allra sista del – slukas av vattenånga i jordens atmosfär.

Event Horizon Telescope består av elva teleskop. Tillsammans ­fungerar de som ett enda stort teleskop med en parabol stor som hela jorden. Varje teleskop täcker var sitt område och bidrar till en samlad bild.

© Ken Ikeda Madsen & Dr. Nimesh Patel

Strålning från svart hål når jorden

Astronomer observerar svarta hål med teleskop som ­registrerar radiovågor. Till skillnad från synligt ljus tränger vågorna ner genom atmosfären till ytan.

© Ken Ikeda Madsen & Dr. Nimesh Patel

Teleskop observerar halva dygnet

Jordens rotation gör att varje teleskop har utsikt mot ett svart hål halva dygnet. När ett ­teleskop befinner sig på ”fel” sida av jorden tar andra teleskop i nätverket över.

© Ken Ikeda Madsen & Dr. Nimesh Patel

Rotation ger skarpare bilder

Under sin observationstid täcker varje teleskop små ”streck” av punktvisa observationer på bilden när jorden roterar. Det ger bättre upplösning.

Strålning från svarta hål når inte fram till jorden i form av synligt ljus utan som radiovågor. Astronomer registrerar vågorna med hjälp av ett världsomspännande nätverk av radioteleskop, Event Horizon Telescope (EHT), som kan mäta strålning med en våglängd av 1,3 millimeter.

EHT:s radioteleskop mätte i april 2017 strålning från det svarta hålet M87*. I sju dagar samlade EHT in fem petabyte data om hålet. Det motsvarar den totala produktionen av selfier från 40 000 människor under hela deras liv.

En så stor mängd data är snabbare att transportera fysiskt än att överföra via internet. Därför flögs hårddiskar till två datacentraler, där observationerna sammanfördes.

Forskarna ”översatte” radio­vågor till synliga färger där gult visar den starkaste strålningen, rött lite svagare och svarta pixlar visar att ingen strålning uppmätts.

Det var tack vare denna metod som EHT-forskarna två år senare kunde presentera den bild som blev så berömd. Den var banbrytande eftersom den för första gången visar själva händelsehorisonten.

Vi kan se den som en rund, mörk skiva omgiven av gult och brandgult ljus. EHT:s astronomer har beräknat att M87*:s händelsehorisont har en diameter på cirka 39,2 miljarder kilometer.

39,2 miljarder kilometer är ­diametern på det svarta ­hålet M87*, som blev berömt år 2019.

Vintergatans svarta hål förbryllar astronomerna

Vintergatan roterar runt det supertunga svarta hålet ­Sagittarius A. Astronomerna ska granska hålets strålning för att försöka lösa en rad mysterier om galaxens svarta centrum. De vill till exempel försöka ta reda på hur det kommer sig att Sagittarius A tycks sluka mindre materia än andra svarta hål.

Varför slukar hålet så lite?

Strålning från Sagittarius A* tyder på att det suger i sig ytterst lite gas och damm från sin tillväxtskiva jämfört med andra svarta hål. Förklaringen kan vara hålets magnetfält som tvingar ut materien i tillväxtskivan i stabila banor, där den inte slukas. Magnetfältet undersöks bland annat med teleskopet Sofia, som har installerats på en Boeing 747.

© NASA

Hur mycket massa har samlats i hålet?

Massan i Sagittarius A* anges oftast som fyra miljoner solmassor, men astronomerna känner inte till dess exakta ”vikt”. Hittills har massan beräknats genom observationer av stjärnor som kretsar i elliptiska banor nära hålet. År 2008 beräknade amerikanska forskare storleken till 3,7 miljoner solmassor, medan tyska forskare året därpå fick fram resultatet 4,3 miljoner solmassor.

© Ken Ikeda Madsen

Har det jetstrålar?

Supertunga svarta hål har ofta jetstrålar som skjuts ut vinkelrätt från tillväxtskivans ­innersta del. Astronomer vid University of Sydney i Australien har analyserat två enorma gasbubblor som sträcker sig ut från Sagittarius A*. Analysen visade att det svarta hålet slukade ett enormt gasmoln för cirka 3,5 miljoner år sedan och att en del av gasen samtidigt slungades åt var sitt håll, precis som jetstrålar.

© NASA’s Goddard Space Flight Center

Varför blossar ­strålningen upp?

I maj 2019 fördubblades plötsligt strålningen från Sagittarius A*. Astronomerna vet ännu inte varför, men en teori är att stjärnan S0-2 har passerat mycket nära det svarta hålet, vilket har fått gaser kring hålet att klumpas ihop och accelerera
i ett stort ryck mot det svarta hålet. Det har i sin tur medfört en jättelik energiurladdning.

Svart hål påminner om en treåring

M87, som väger omkring 6,5 miljarder gång­er solens massa, är ett så kallat supertungt svart hål. Även i Vintergatans mitt finns ett supertungt svart hål, Sagittarius A, runt vilket galaxen roterar.

Skillnaden på M87 och Sagittarius A är att Vintergatans svarta hål är cirka 1 600 gånger lättare. Samtidigt befinner det sig 2 000 gånger närmare oss. Skillnaderna i massa och avstånd ”upphäver” delvis varandra; sett från jorden är det ingen större skillnad på de båda hålens storlek.

Skillnaden har dock en annan, avgörande betydelse: Hastigheten. M87* är ett tacksamt motiv att avbilda eftersom astronomerna kan ta bilder av det med lång ”slutartid”.

Detta kan de göra eftersom strålning­en från hålet praktiskt taget förblir oföränd­rad under flera timmar, eftersom gaserna virvlar mycket långsamt runt hålet.

Gaserna rör sig sakta för att de befinner sig långt bort från den punkt kring vilken det svarta hålets massa är samlad – den så kallade massmittpunkten. Med Sagittarius A* är förhållandet det motsatta.

Där rör sig gaserna betydligt snabbare runt hålet, eftersom de befinner sig närmare massmittpunkten.

Forskarna jämför M87 med en vuxen person som sitter still för att få sitt porträtt taget, medan Sagittarius A är som en treåring som far runt som en tätting.

Lösningen är att spela in en film i stället för att ta en bild.

Kamioka Gravitational Wave Detector (Kagra) i Japan är ett nytt instrument för att observera gravitationsvågor, som kan komma från kollisioner mellan svarta hål.

© KAGRA Observatory

Forskarna vill ställa in EHT-nätverkets teleskop för att spela in radiostrålning med kortare våglängd, 0,87 millimeter i stället för tidigare 1,3 millimeter.

Det kan enligt forskarna förbättra bildskärpan med 30–50 procent. Dessutom ska de kombinera inspelningar från fler teleskop än tidigare.

Tre teleskop på Grönland samt i Frankrike respektive Arizona i USA har nu lagts till EHT:s tidigare åtta teleskop. Det innebär att inspelningar från totalt elva teleskop kan kombineras.

Slutligen ska forskarna använda sig av ett datorprogram, StarWarps, för att kombinera bilderna till en film. StarWarps kan analysera en mängd bilder och räkna ut hur de mellanliggande
bilderna troligen ser ut.

På så sätt kan programmet bidra med datorgenererade bilder så att det som annars skulle se ut som en diabildsvisning blir till levande bilder.

Svarta hål kan besvara allt

En film av det svarta hålet i Vintergatans centrum kan hjälpa oss att räta ut flera frågetecken. Forskarna vill till exempel veta mer om hur svarta håls magnetfält ”knuffar till” materia i tillväxtskivan.

Teorin är att gravitationen från ett svart hål i kombination med dess rotation vrider ett magnetfält, som påverkar laddade partiklar runt hålet.

Vissa partiklar faller in i hålet, medan andra slungas långt bort. Forskarna vet dock inte hur mycket materia som åker åt det ena eller det andra hållet.

Video av materien kring Sagittarius A* skulle kunna ge forskarna det svar de letar efter. Partiklarna kan även hamna i de jetstrålar som förekommer vid många svarta hål.

De består av laddade partiklar som slungas ut från tillväxtskivans inre kant.

Forskare på det världsomspännande teleskopnätverket Event Horizon Telescope (EHT) vill skapa en video av det svarta hålet i Vintergatans mitt. De har utvecklat en teknik som kombinerar observerade och datorgenererade bilder till en film.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Teleskop ger exakta observationer

Strålning från Vintergatans svarta hål når EHT:s teleskop på jorden. Tiden för varje observation registreras av atomur, som bara sackar efter en sekund på tio miljoner år.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Data på hårddiskar flygs tvärs över jorden

Cirka ett halvt ton hårddiskar fyllda med data flygs från teleskopen till Cambridge i USA och Bonn i Tyskland, där superdatorer kombinerar alla observationerna.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Observationer från hela planeten kombineras

Varje observation bidrar med en liten del av en samlad bild, där forskarna använder synliga färger för att symbolisera styrkan i de uppmätta radiovågorna från det svarta hålet.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Dator fyller i luckorna mellan bilderna

Varje bild av det svarta hålet ”framkallas” med hjälp av flera minuters observationer av varje enskilt teleskop. Datorprogrammet StarWarps registrerar små förändringar som sker under ”slutartiden”. Utifrån dessa förändringarna genererar StarWarps de mest sannolika mellanliggande bilderna, så att resultatet blir en film.

Nästa fråga som inspelningarna av Sagittarius A* kan besvara är hur de supertunga svarta hålen har uppstått. Supertunga svarta hål, som finns i hjärtat av de flesta galaxer, bildades samtidigt som galaxerna.

Men vissa supertunga svarta hål på upp till 30 miljarder solmassor, till exempel J2157, befinner sig enligt teorin för långt bort.

Ljuset vi ser från J2157 är från en tid då universum endast var 1,2 miljarder år gammalt. Enligt teorierna borde svarta hål på över 20 miljarder solmassor inte finnas så tidigt i universums historia.

En video av Sagittarius A* kan ge forskarna en fingervisning om hur Vintergatans mörka centrum har bildats och därmed också hur ”omöjliga” svarta hål föds. Astronomerna vid EHT ska även filma andra svarta hål.

Drömmen är en hel filmkatalog som gör det möjligt för forskarna att jämföra supertunga svarta hål av olika åldrar, och på så sätt se hur de utvecklas.

Problemet med teorin om kvantgravitation är olöst. Svarta hål är en av de platser där vi kan söka svar. Avery Broderick, Astrofysiker

I dag är EHT spritt över hela planeten för att samla in strålning med största möjliga ”parabol”, men EHT-astronomerna önskar sig ett nätverk av satellitteleskop.

Det skulle ge EHT ännu större diameter, och dessutom kan satelliter registrera strålning som annars absorberas i jordens atmosfär.

Forskare vid Radboud Universiteit i Nederländerna har beräknat att dessa två förbättringar kommer att ge bilder med upp till fem gånger högre upplösning än med dagens EHT.

En högupplöst videokatalog är bara ett exempel på vad vi kan göra med ett EHT som flyttas ut i rymden. Forskarnas mål är att förändra hela vetenskapen genom att visa att fysikens två mest grundläggande teorier är förenliga.

Einsteins relativitetsteori, som förklarar universum på den stora skalan, är fortfarande den bästa förklaringen till hur svarta hål beter sig. Den har dock alltid varit omöjlig att kombinera med kvantmekaniken, som förklarar hur de minsta partiklarna fungerar.

Astrofysiker har redan kommit på namnet på teorin som eventuellt kan förena de två: Kvantgravitation. Bevisen för denna teori, som skulle vara den största revolutionen inom fysiken på över 100 år, kan dölja sig vid de svarta hålen.

Som den kanadensiske fysikern Avery Broderick, en av forskarna bakom EHT, uttrycker det: ”Det mest spännande vi kan göra är att förtränga Einstein genom att visa att det i detta extrema laboratorium döljer sig något nytt. Det myllrar av mysterier kring svarta hål och vi vet att det måste finnas något mer.”