Sorte huller er resterne af meget massive stjerner med tyngdekraften så stærk, at ikke engang lys kan slippe ud.
Sorte huller er muligvis blandt de underligste - og mest almindeligt misforståede - objekter i vores univers. Resterne af de mest massive stjerner, de sidder ved grænsen for vores forståelse af fysik. De kan indeholde flere gange massen af vores sol i et rum, der ikke er større end en by. Med tyngdekraften så intens, at ikke engang lys kan undslippe deres overflader, kan sorte huller lære os om de absolutte ekstremer i kosmos og selve strukturen i rummet.
Kunstnerens gengivelse af et sort hul, der trækker gas ud af en nærliggende stjerne. Kredit: NASA E / PO, Sonoma State University, Aurore Simonnet
Konceptuelt er sorte huller ikke så komplicerede. De er intet andet end ekstremt tætte kerner af en gang-massiv stjerner. De fleste stjerner, som vores sol, afslutter deres liv fredeligt ved forsigtigt at sprænge deres ydre lag ud i rummet. Men stjerner, der overstiger omkring otte gange solens masse, tager en anden, mere dramatisk vej.
Disse stjerner dør, når de ikke længere kan smelte sammen atomkerner i deres kerne. Det er ikke, at de løber tør for brændstof i sig selv. I stedet for, når stjernen først har en kerne af jern, koster det atomer sammen atomer til at fremstille nye elementer stjernenergien. Mangler en energikilde kan stjernen ikke holde sig mod den nådeløse kamp med tyngdekraften. De ydre lag af stjernen falder ned.
Efterhånden som flere octillion ton gas trækker sig ned, gennemgår stjernens kerne en drastisk ændring og bliver modstandsdygtig over for yderligere komprimering. Den infalling gas rammer den nu hærdede kerne og rebounds. Den hurtige gaskomprimering sætter en sidste bølge af ukontrolleret nuklear fusion i gang. Stjernen, nu vildt ude af balance, eksploderer. Den resulterende supernova kan overskride en hel galakse og kan ses fra hele universet.
En supernova-rest, N49, der ligger 160.000 lysår væk i den store magelleniske sky - en satellitgalakse af Mælkevejen. I cirka 5000 år gammel efterlod supernovaen sandsynligvis en kompakt neutronstjerne i dens kølvandet. Dette sammensatte billede viser røntgenstråler (lilla), infrarødt (rødt) og synligt (hvidt, gult) lys. Røntgenstråle: NASA / CXC / Caltech / S.Kulkarni et al .; Optisk: NASA / STScI / UIUC / Y.H.Chu & R.Williams et al .; IR: NASA / JPL-Caltech / R.Gehrz et al.
I supernovas kølvæsen forbliver kernen. Denne tætte suppe af subatomære partikler har et par muligheder på dette tidspunkt. For en stjerne med mindre masse end 20 solskinner holder kernen sammen som en neutronstjerne. Men for de rigtige stjernevægtvægter omdannes kernen til et virkelig eksotisk objekt. Et sort hul fødes.
Stjerner trives i en usikker balance. Tyngdekraften ønsker at trække stjernen sammen, internt pres ønsker at rive den fra hinanden. De mest drastiske ændringer sker, når en af disse kræfter får overhånden. Over en kernemasse på nogle få solskin er der ingen kendt preskilde, der kan afbalancere tyngdekraften. Den stjerne rester kollapser over sig selv.
Ved at klemme al den masse ind i et mindre og mindre volumen får tyngdekraften ved den døde stjernes overflade skyrocket. Ratcheting op tyngdekraften gør det stadig vanskeligere for noget at flygte. Få tyngdekraften høj nok - cirka 30 tusind gange, hvad vi føler her på Jorden - og nogle virkelig bizarre bivirkninger dukker op.
Denne computersimulering viser en stjerne, der gravitationsmæssigt rives fra hinanden af et nærliggende sort hul. Lange strømme af overophedet gas markerer stjernens sidste rejse. Den infalling gas hæver sig på en disk omkring det sorte hul (øverst til venstre). Kredit: NASA, S. Gezari (Johns Hopkins University) og J. Guillochon (University of California, Santa Cruz)
Kast en kugle op i luften, og til sidst stopper den, drejer rundt og vender tilbage til din hånd. Kast bolden hårdere, den går højere - men falder stadig tilbage. Kast bolden hårdt nok, og bolden kan undslippe Jordens tyngdekraft. Dette point-of-no-return kaldes "flugthastighed". Det er anderledes for hver planet, stjerne og komet. Jordens flugthastighed er ca. 40.000 km / t. For solen er det over 2 millioner km / t !. På en meget lille asteroide kan springe for højt ved et uheld starte dig ind i kredsløb.
På et sort hul er flugthastigheden imidlertid større end lysets hastighed!
Da intet kan gå så hurtigt, kan intet - ikke engang lys i sig selv - komme op nok hastighed til at undslippe et sort huls overflade. Ingen type stråling - radiobølger, UV, infrarød - kan udspringe fra et sort hul. Ingen information overhovedet kan forlade. Universet har tegnet et gardin omkring alt, hvad der er tilbage af disse stjernemærker, og vi kan ikke direkte studere dem. Alt, hvad vi kan gøre, er formodning.
Selve det sorte hul er defineret af et rumvolumen afgrænset af en "begivenhedshorisont". Begivenhedshorisonten markerer usynligt grænsen, hvor flugthastigheden er nøjagtigt lig lysets hastighed. Uden for horisonten har dit rumskib i det mindste en teoretisk chance for at gøre det hjem. Kryds den linje sætter dig på en envejs rejse til hvad der sidder indeni.
En måde astronomer lokaliserer sorte huller på er at finde dem i kredsløb omkring andre stjerner. Når dette sker, suges gas ud af stjernen og spiraler ned ad en disk gennem begivenhedshorisonten. Gassen på disken opvarmes til millioner af grader og udsender kraftige røntgenstråler. Resultatet er, hvad astronomen kalder en "røntgen-binær", som her vises i denne kunstners gengivelse. Kredit: ESA, NASA og Felix Mirabel
Hvad der sidder inden for begivenhedshorisonten er et komplet mysterium. Sidder der stadig et objekt i midten, en skygge af en engang strålende stjernekerne? Eller forhindrer intet tyngdekraften fra at knuse kernerne til et enkelt punkt og muligvis endda punktere rummet i rummet? Vores manglende forståelse af sådanne ekstreme miljøer og uvidenhedens slør, der klæber disse væsener, giver fantasien plads til at løbe vild. Visioner af tunneler til andre dimensioner, parallelle universer og endda fjerne tider er florerende. Men det eneste ærlige svar på spørgsmålet "hvad ligger uden for begivenhedshorisonten?" Er et simpelt "vi ved ikke!"
I bund og grund er, at sorte huller er begravelsesgrundene for ekstremt massive stjerner. Efter en supernovaeksplosion efterlades den massive kerne. Mangel på en passende afbalanceringskraft trækker tyngdekraften kernen sammen til et punkt, hvor flugthastigheden overstiger lysets hastighed. Fra dette tidspunkt kan intet lys - og ingen information af nogen art - udstråle ud i rummet. Det eneste, der er tilbage, er et perfekt sort tomrum, hvor en mægtig stjerne en gang stod.