Nobelprisen og det første billede af et sort hul

Du har sikkert hørt nyheden om det første billede af et sort hul, som en videnskabsmand har lagt ud. Billedet var en fantastisk nyhed, ikke kun for astronomien, men også for hele verden. Dette billede var det første skridt mod en ny dør af information. Universet bliver mere og mere oplyst med hver ny information, og derfor er vi i stand til bedre at forstå alle mysterierne uden for vores planet.

For nylig så vi tolv prismodtagere blive tildelt Nobelprisen 2020, og hvordan en af dem bidrog bemærkelsesværdigt til menneskeheden med deres forskning og opdagelser. De er alle fantastiske forskere, og vi ville elske at tale om hver enkelt af dem herinde, men i dag vil vi tale om Roger Penrose, Reinhard Genzel og Andrea Ghez, vinderne af Nobelprisen i fysik, for at få en bedre forklaring og forståelse af sammenhængen i det første billede af et sort hul.

Ifølge Nobelprisens officielle hjemmeside blev prismodtagerne anerkendt "for opdagelsen af, at dannelsen af sorte huller er en robust forudsigelse af den generelle relativitetsteori" og "for opdagelsen af et supermassivt kompakt objekt i centrum af vores galakse". Penrose beviste gennem imponerende matematiske metoder, at sorte huller er forbundet med Einsteins relativitetsteori, mens Reinhard Genzel og Andrea Ghez' arbejde fandt uigendrivelige beviser for, at der faktisk er et sort hul i centrum af vores Mælkevej, i dag kendt under navnet Sagittarius A*.

For at vi kan forstå temaet fuldt ud, er vi nødt til at kende et par grundlæggende begreber om sorte huller, som "Hvad er et sort hul?"; "Hvordan er de lavet? Hvor kan vi finde et?"

Det første, vi skal vide, er et begreb, der bruges meget i mange emner inden for astronomi, nemlig hvad rumtid er. Rumtid er en firedimensionel mangfoldighed, tre rumdimensioner og en tidsdimension, i et koordinatsystem ville vi have (x,y,z,t). Et interessant faktum er, at et enkelt punkt i dette koordinatsystem kaldes en begivenhed. Når det er sagt, kan vi få definitionen på et sort hul.

Sort hul er en rumtidsregion hvor tyngdekraften er så stærk, at enhver gas, støv, partikel eller endda lyset ikke kan bryde fri af den! De tiltrækkes alle STÆRKT af tyngdekraften ind i det sorte hul og forsvinder til et sted, der selv i dag er ukendt for forskerne. Det interessante her er, at hvis selv lyset ikke kan bryde fri af denne kraft, er det umuligt at se et sort hul eller at vide, hvor der er et. Det er som at prøve at se et sort objekt på en sort baggrund, man kan ikke se det, eller hvis man kan, er det meget svært. Så hvordan gør forskerne det?

I teorien dannes sorte huller normalt, når en meget massiv stjerne, der er meget tungere end solen, kollapser i slutningen af sit liv. Massen er en meget vigtig faktor, der afgør, om den døde stjerne bliver til et sort hul eller en neutronstjerne. Denne supermassestjerne presses ind i et meget lille rum på grund af tyngdekraften, og for at danne det sorte hul kan den kompakte masse deformere rumtiden i henhold til den generelle relativitetsteori.

Denne deformering af rumtiden skaber en tyngdeaccelerationskraft, der peger mod centrum af det tætte masselegeme. Og på grund af denne kraft begynder gas og partikler tæt på eller i nærheden af det sorte hul at få en rotationshastighed, så de med magt tiltrækkes ind i det sorte hul. Dette fænomen kaldes Akkretionsskive.

Denne tyngde- og friktionskraft får al gas og partikler med elektriske ladninger til ikke kun at generere en temperaturstigning, men også en elektromagnetisk stråling med forskellige frekvenser som infrarød eller røntgen. På grund af denne fantastiske egenskab kan man "se" et sort hul. Det er godt, men det gør ikke forskerens arbejde 100 procent lettere. Man har en frekvens, man kan spore, men man kan stadig ikke sige "se, et sort hul derovre på himlen". Vi kan ikke behandle lyset fra det sorte hul på samme måde som en almindelig stjerne; de er meget forskellige fra hinanden. Men den gode nyhed er, at det sorte objekt fra begyndelsen nu er lidt oplyst i den sorte baggrund.

På det første billede af det sorte hul kan vi se akkretionsskiven. Det sorte hul er i dette tilfælde 6,5 millioner gange tungere end vores sol, og det befinder sig i Messier 87-galaksen, 53 millioner lysår fra jorden. Billedet blev muligt med tidsarbejde fra otte forskellige teleskoper rundt om i verden, Event Horizon Telescope, og nogle andre rumteleskopmissioner, der sammen indfangede data fra M87 på samme tid i april 2017. Hver af dem indfangede forskellige data fra det sorte hul, og til sidst blev det hele sat sammen til et billede. Det kan lyde som en nem og enkel opgave, men forskerne måtte arbejde hårdt for at forstå alle dataene, og hvordan de skulle håndteres, hvilken algoritme de skulle bruge, og hvordan de skulle bruge den.

I en artikel udgivet i 1997 viste Genzel, at indsamlede data fra fem forskellige år, fra 1992 til 1996, fanger stjerner i hurtig bevægelse i umiddelbar nærhed af Sgr A*, og at en meget stor og tung mørk masse befinder sig i midten af disse stjerner. "Der er ingen stabil konfiguration af normale stjerner, stjernerester eller substellare enheder ved den tæthed," står der i artiklen (GENZEL et al., 1997). Konklusionen er, at "der må være et massivt sort hul i kernen af Mælkevejen".

I en anden artikel, som Ghez offentliggjorde i 1998, blev der i en toårig undersøgelse fundet det samme mønster af bevægelser, der starter på samme sted, som det siges i artiklen "peaks of both stellar surface density and the velocity dispersion are consistent with the position of the black hole candidate (still candidate at that time) Sgr A*" (GHEZ et al., 1998). Billederne, der blev brugt i undersøgelsen, blev taget med nær-infrarøde bølgelængder, den type frekvens, der udsendes af akkretionsskiven.

Her er en kort liste med disse artikler:

GENZEL, R. et al. Om karakteren af den mørke masse i Mælkevejens centrum. Månedlige meddelelser fra det kongelige astronomiske selskab, v. 291, n. 1, s. 219-234, 11 out. 1997.

GHEZ, A. M. et al. Stjerner med høj egenbevægelse i nærheden af Sagittarius A\ast: Bevis for et supermassivt sort hul i centrum af vores galakse. Det astrofysiske tidsskrift, v. 509, n. 2, s. 678-686, dez. 1998.

GHEZ, A. M. et al. Måling af afstand og egenskaber for Mælkevejens centrale supermassive sorte hul med stjernebaner. Det astrofysiske tidsskrift, v. 689, n. 2, p. 1044-1062, dez. 2008.

Er universet ikke så smukt?

Alt dette er allerede utroligt, men der er stadig meget mere at komme efter, som David Haviland, formand for Nobelkomiteen for Fysik, sagde "... disse eksotiske objekter stiller stadig mange spørgsmål, som kræver svar og motiverer fremtidig forskning. Ikke kun spørgsmål om deres indre struktur, men også spørgsmål om, hvordan vi kan teste vores teori om tyngdekraften under de ekstreme forhold i umiddelbar nærhed af et sort hul". Og vi vil være her, men vi ser frem til den næste pause! I mellemtiden takker vi dette års prismodtagere Roger Penrose, Reinhard Genzel og Andrea GhezDu er fantastisk!

Hvis du også vil læse om Roger Penroses arbejde, er her et par artikler, der beskriver hans arbejde. En af dem blev udgivet sammen med den legendariske Stephen Hawking. Du kan også tjekke disse artikler ud her:

HAWKING, S.; PENROSE, R. Rummets og tidens natur. American Journal of Physics, v. 65, n. 7, s. 676-676, 1 jul. 1997.

EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. Energibevarelse som grundlag for relativistisk mekanik. II. American Journal of Physics, v. 33, n. 12, s. 995-997, 1 dez. 1965.

NEWMAN, E.; PENROSE, R. An Approach to Gravitational Radiation by a Method of Spin Coefficients. Journal of Mathematical Physics, v. 3, n. 3, s. 566-578, 1 maio 1962.

PENROSE, R.; RINDLER, W. Energy Conservation as the Basis of Relativistic Mechanics. American Journal of Physics, v. 33, n. 1, s. 55-59, 1. jan. 1965.

Hvis du har et projekt eller en præsentation på vej om et astronomisk område, kan du bruge Mind the Graph til at gøre dit indhold mere effektivt, didaktisk og sjovt! Vi ved, at det er svært at få gode billeder om temaet, så vi er her for at hjælpe dig med det, du kan tjekke vores indhold om astronomi lige her.

I Mind the Graph kan du finde alt, hvad du har brug for, og hvis du ikke kan, kan vi hjælpe dig!

Lad os sammen forbedre kommunikationen inden for videnskab! Er du klar til at prøve?

Nobelprisen og det første billede af et sort hul

Tilmeld dig vores nyhedsbrev

Om Fabricio Pamplona