Artikkel

Slik ser et svart hull ut

svart hull
Det første bildet av det svarte hullet i sentrum av galaksen Messier 87. Foto: EHT Collaboration

Slik ser et svart hull ut

Ti år og mer enn 200 forskere måtte til for å lykkes med å ta et bilde av det ingen egentlig visste om fantes. Hvorfor har denne oppdagelsen stor verdi for menneskeheten?

I koordinerte pressekonferanser over hele verden 10. april ble det første direkte visuelle beviset på et supermassivt svart hull og dets skygge avslørt. Astronomene som deltar i prosjektet Event Horizon Telescope (EHT)-Collaboration kunne avsløre at de har lykkes i å bekrefte en hendelsehorisont.

– Vi har sett det vi trodde ikke var mulig å se. Vi har sett og tatt bilde av et svart hull, fortalte prosjektdirektør for EHT, Sheperd S. Doeleman fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Bildet viser hendelseshorisonten: en ringlignende struktur med en mørk sentralregion – det sorte hullets skygge.

Å se det usynlige

Øystein Elgarøy
Øystein Elgarøy.

– Et svart hull er et område i rommet der tyngdekraften er så sterk at selv lys ikke kan slippe ut av det. Hendelseshorisonten er overflaten til dette området, forklarer professor Øystein Elgarøy, som er kosmolog ved Institutt for teoretisk astrofysikk ved UiO.

foton-stier, svart hull
En kunstnerisk fremstilling av fotonenes – lyspartiklenes – stier i nærheten av et svart hull. Gravitasjonsbøyningen og fangingen av lys ved hendelseshorisonten er årsaken til skyggen fanget av EHT. Illustrasjon: Nicolle R. Fuller/NSF

– Den er ikke laget av noe stoff, men den markerer grensen mellom innsiden av det svarte hullet, som ingenting kan slippe ut av, og utsiden, der det fremdeles er mulig å komme seg vekk. Alt som skjer innenfor hendelseshorisonten, er for alltid skjult for oss, derav navnet.

Det svarte hullet kaster en skygge på skiven av den svært varme, lysende gassen og støvet som kretser rundt og faller ned i det svarte hullet, noe som ble forutsagt i Einsteins generelle relativitetsteori (GR) og som vi aldri har sett før.

– Denne skyggen, forårsaket av gravitasjonsavbøyningen og fangingen av lys ved hendelseshorisonten, avslører mye om naturen til disse fascinerende objektene og har gitt oss mulighet til å måle den enorme massen til M87s svarte hull, forklarte Heino Falcke, som er leder for EHTs forskningsråd og professor ved Radboud University i Nederland, på pressekonferansen.

Indirekte data

Håkon Dahle
Håkon Dahle.

Alt vi har visst om svarte hull fram til i dag, har vært basert på indirekte data samlet fra enorme avstander.

– Tidligere observasjoner av en jetstråle viste at galaksen Messier 87 (M87) hadde en aktiv galaksekjerne (hvor aktiviteten antas å få sin energi fra et supermassivt svart hull), og man hadde også et mål på massen til det svarte hullet basert på målinger av hvor fort stjerner beveger seg i de innerste delen av M87, forklarer Håkon Dahle, forsker i kosmologi og ekstragalaktisk astronomi ved UiOs Institutt for teoretisk astrofysikk.

Dette har nå endret seg som et resultat av EHT-samarbeidet.

Som å ta et bilde av en appelsin på månen

Event Horizon Telescope
Dette diagrammet viser plasseringen av teleskopene som ble brukt til EHT-observasjoner av M87 i 2017. Illustrasjon: National Radio Astronomy Observatory

Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori er det slik at jo mer massivt et svart hull er, jo større er skyggen og det grense: hendelseshorisonten. Det supermassive svarte hullet i sentrum av M87 er et av de største svarte hullene som er synlige fra jorden. Det har en masse på 6,5 milliarder ganger solens masse, og hendelseshorisonten måler like under 40 milliarder kilometer på tvers (rundt 2,5 ganger mindre enn skyggen den kaster). Men det å ta et bilde av det svarte hullet i M87 – 55 millioner lysår unna jorden – kan sammenliknes med å forsøke å ta et bilde av en appelsin på månen fra jorden. Et vanlig teleskop er ikke nok.

Derfor har astronomer brukt flere teleskoper over hele kloden som ser på det samme svarte hullet samtidig, og ved å utnytte rotasjonen av planeten vår, danner de et stort, jordisk teleskop som observerer ved en bølgelengde på 1,3 mm, skriver ESO.

Denne metoden kalles langbaseinterferometri (very-long-baseline interferometry (VLBI) på engelsk) og gjorde at astronomene kunne få bra nok vinkeloppløsning til å se det svarte hullets skygge. Dette tilsvarer å kunne lese en avis i New York fra en fortauskafé i Paris, ifølge RadioNet.

«En for alle og alle for en!»

Oppkalt etter hendelseshorisonten sammenkobler Event Horizon Telescope (EHT) åtte av verdens høyeste og mest isolerte bakkebaserte radioteleskoper og –observatorier. ALMA, APEX, IRAM 30 meter telescope, James Clerk Maxwell Telescope, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, Submillimeter Array, Submillimeter Telescope og South Pole Telescope danner sammen et massivt, virtuelt teleskop med en diameter på størrelse med jorden.

– Å få både været og det tekniske til å klaffe på alle stedene samtidig, var nok heller ikke trivielt, framhever Dahle.

– Det er jo heller ikke slik at de fleste av disse radioteleskopene bare brukes til EHT-observasjoner, så man måtte jo også skaffe observasjonstid alle steder i konkurranse med andre prosjekter og koordinere observasjonstidspunktene, fortsetter han. 

De uavhengige EHT-observasjonenene av M87s svarte hull ble gjennomført over flere dager under en global kampanje i 2017. Hvert teleskop ga enorme mengder data – omtrent 350 terabyte pr. dag (350.000 gigabyte), det vil si 175 millioner digitale bilder eller 13 år non-stop DVD-filmer.

På høytpresterende, heliumfylte harddisker ble dataene fløyet til spesialiserte superdatamaskiner for å kombineres. Ved hjelp av flere kalibrerings- og avbildningsmetoder, nylig utviklet i et samarbeid mellom Max Planck Institute for Radio Astronomy og MIT Haystack Observatory, ble de lovende dataene deretter nøyaktig konvertert til det berømte bildet av det svarte hullets skygge.

– Den største utfordringen må ha vært å prosessere tilsammen 4 petabyte (4000 terabyte) med data fra åtte forskjellige radioteleskoper på riktig måte for å få fram bildet, sier Dahle imponert.

Vil du ha flere forskningsnyheter om universet, realfag og teknologi: Følg Titan.uio.no på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

Bekreftelse av mer enn 100 år gammel teori

Svarte hulls historie

1915: Einstein publiserer den generelle relativitetsteorien.

1916: Schwarzschild finner en løsning som beskriver tyngdefeltet utenfor en kule.

1930-tallet: Fysikere og astrofysikere studerer gravitasjonskollaps, finner at stjernerester som blir tunge nok, vil kollapse fullstendig, men at kollapsen utenfra vil se ut til å stoppe opp når stjerna blir mindre enn Schwarzschildradien.

1960-tallet: Roger Penrose viser at ingenting kan hindre kollaps til en singularitet, skjult bak en hendelseshorisont som selv ikke lys kan slippe vekk fra.  Navnet "svart hull" blir vanlig å bruke om fenomenet. Roy Kerr generaliserer Schwarzschild-løsningen til å kunne beskrive roterende sorte hull.

1963: Oppdagelsen av kvasarer (Maarten Schmidt).  

1969: Første teoretiske modell for kvasarer som aktive galaksekjerner, drevet av akkresjon av materiale omkring supermassive sorte hull i galaksekjerner (Donald Lynden-Bell). Schmidt og Lynden-Bell delte i 2008 den første Kavli-prisen i astrofysikk for disse arbeidene.

1973: Observasjoner av Cygnus X-1 gir det første overbevisende eksemplet på et sort hull som er en kompakt stjernerest.

1974: Stephen Hawking viser at svarte hull i henhold til kvantemekanikken må sende ut stråling.

1999: Oppdagelsen av "M-sigma relasjonen": en tett korrelasjon mellom massen til supermassive sorte hull i galaksekjerner og massen til galaksen det sorte hullet befinner seg i.

2002: Basert på målinger gjennom ti år av stjernebevegelser i Melkeveisenteret måles massen til det supermassive sorte hullet i Melkeveien til 4 millioner solmasser, og alternative forklaringer ekskluderes.  

2015: LIGO måler for første gang gravitasjonsbølger fra to kolliderende svarte hull.

2019: Første bilde fra EHT!

Svarte hull er et begrep med en lang og kronglete historie som begynte i 1915, da Einstein publiserte den generelle relativitetsteorien (se faktaboks).

Observasjonene fra EHT er en ny bekreftelse av at svarte hull finnes og har egenskaper som forutsagt av den generelle relativitetsteorien.

– Dette ble i grunnen bekreftet allerede for tre år siden da LIGO publiserte de første målingene av gravitasjonsbølger fra kolliderende svarte hull. Men det svarte hullet i M87 er mer enn 100 millioner ganger mer massivt enn de svarte hullene LIGO måler, og man kunne tenke seg avvik fra den genrelle relativitetsteorien som bare er observerbare for store masser. Det har man altså ikke observert, forklare Håkon Dahle.

Han la merke til at siden M87 er en aktiv galakse med en jet, kan det gi innsikt i prosesser som også foregår i kvasarer og andre typer aktive galaksekjerner med mye kraftigere aktivitet enn M87.

Fra et teoretisk synspunkt «bekrefter disse observasjonene også at modellene for oppførselen til materie som faller inn mot et svart hull, fungerer godt», påpeker professor Elgarøy.

– Fremtidige, mer detaljerte bilder kan hjelpe til med å videreutvikle disse modellene, fortsetter han.

Mer enn bare et bilde

De verdifulle resultatene er publisert i en serie på seks vitenskapelige artikler i en spesialutgave av The Astrophysical Journal Letters. Dataene fra EHT regnes som en gullgruve av informasjon om de fysiske prosessene som foregår i den umiddelbare nærheten av det svarte hullet.

– Det skjer tydelige endringer på bare noen få dager i de nærmeste omgivelsene til det svarte hullet sman ser på bildet. Her er det mye action! påpeker Dahle.

Det skjer også stadige utbrudd i strålingen (både radio- og røntgenstråling) fra omgivelsenr til SagA*, det supermassive svarte hullet i Melkeveien. Der kretser det turbulente plasmaet rundt det svarte hullet på tidsskalaer på kun få minutter.  

– EHT vil kunne avsløre hvilke prosesser som forårsaker disse utbruddene. Det kan være knyttet til magnetfeltet omkring det svarte hullet som de kommende polarisjonsdatene vil gi informasjon om, sier han.

Faktisk styrer strukturen til magnetfeltet både hvordan materie faller inn i det svarte hullet og hvordan jetstråler av materie, slik som vi ser i M87, blir dannet.

EHTs resultater representerer også kulminasjonen av tiår med observasjonelt, teknisk og teoretisk arbeid og innsats fra mer enn 200 forskere fra hele verden, noe som krevde et nært og globalt teamarbeid.

Å vente det uventende

Den banebrytende oppdagelsen til Event Horizon Telescope har åpnet et helt nytt vindu mot svarte hull og hendelseshorisonten, og astrofysikere gleder seg til flere utfordringer ut over jordens grenser:

– For å få vesentlig skarpere bilder enn det EHT kan produsere, må man ha enda større avstander mellom radioteleskopene. Det å plassere et radioteleskop på månen er en interessant tanke. Radioteleskop på månen alene er ikke nok til å lage ordentlige pene bilder med økt skarphet, men det vil gi nok informasjon til å måle størrelsen, og dermed massen, på mange flere svarte hull enn de to som er innen rekkevidde for EHT, sier Dahle.

På den andre siden vurdere teoretikere EHTs gjennombrudd innen teknologi annerledes. Professor Elgarøy siterer noe fysikeren Steven Weinberg skrev i en annen sammenheng:

– "Teoretikernes problem er ikke at de tar beregningene sine for alvorlig, men at de ikke tar de alvorlig nok", skrev Weinberg. Samtidig er det på en måte skuffende når observasjoner stadig vekk bare bekrefter en teori, slik de har gjort med den generelle relativitetsteorien til nå, sier han.

– Vi håper jo å finne en bedre teori, en som forener kvantemekanikken med den generelle relativitetsteorien, og lengter etter observasjoner som kan peke oss i riktig retning mot denne teorien, og da ville det være langt mer spennende og nyttig om observasjonene viste oss noe annet enn vi forventet.

Overrasket og imponert

Så hva gjorde aller mest inntrykk?

– Jeg ble mest overrasket over at de allerede hadde klart å observere dag-til-dag variasjoner i strålingen fra omgivelsene til det svarte hullet. Basert på hvor godt de tidligere LIGO-resultatene stemmer overens med den generelle relativitetsteorien, hadde jeg forventet en god match mellom simuleringer og observasjoner, sier forsker Dahle.

– Jeg er først og fremst imponert over at det er mulig å ta et slikt bilde, det er en enorm teknologisk og vitenskapelig prestasjon. Og så er det fantastisk å tenke på at svarte hull, som i begynnelsen så ut til å være et sært fenomen som bare fantes på teoretikernes skrivebord, virkelig finnes, at vi kan regne på hvordan de oppfører seg og at utregningene ser ut til å stemme, sier professor Elgarøy.

I videoen under kan du se en kunstnerisk fremstilling av hvordan den overopphetede materien spinner i en voldsom hastighet rundt det svarte hullet i galaksen M87. Video: M. Kornmesser/ESO

Mer informasjon:

"Spørsmål og svar: Sorte hull", Institutt for teoretisk astrofysikk

Kontakt:

Øystein Elgarøy, professor ved Institutt for teoretisk astrofysikk

Håkon Dahle, forsker ved Institutt for teoretisk astrofysikk

Les mer på Titan.uio.no:

Les også

Tanzania

Det elektroniske avfallets videre liv skal granskes

Elektronikk vi i Norge har avskrevet som søppel, kan bli folks levebrød i Tanzania. Det utsetter både dem og omgivelsene for problematiske miljøgifter  som med vinden også kan finne veien til Arktis og Antarktis.

Forskere ved CTCC og Hylleraas-senteret

Forskerne ved Hylleraas-senteret jakter på kjemiens hellige gral

Forskerne ved Hylleraas-senteret i Oslo og Tromsø jakter på kjemiens hellige gral: De vil bruke datamaskiner til å beregne hvordan kjemiske bindinger brytes og lages. Det kan nemlig gi oss en rekke nye kjemiske stoffer med egenskaper vi bare kan drømme om i dag.