Äntligen kan vi se de svarta hålen

Försök att föreställa dig ett bottenlöst hål – där allt försvinner. En anomali i rumtiden som inte ens ljuset kan slippa ifrån. Sådana är universums svarta hål. Ett svart hål är så enormt förtätat att varje passage över dess yttre gräns, händelsehorisonten, är enkelriktad och aldrig går att vända om.

En rimlig tanke vore att detta svarta borde vara osynligt mot bakgrund av den mörka rymden. Något som då kanske är lite överraskande är att många svarta hål ger upphov till kraftig strålning. Några av de allra starkaste ljuskällorna i universum är kvasarer, det vill säga aktiva galaxkärnor som är så extrema att slutsatsen blir att de måste drivas av supermassiva svarta hål på flera miljarder gånger större än solens massa. Gravitationen från ett sådant svart hål fungerar som motorn i en maskin där materia samlas i en skiva där den hettas upp av friktionen. Magnetfältet kring det svarta hålet fokuserar energin som frigörs, och från de magnetiska polerna slungas partiklar ut med enorm hastighet och bildar jetstrålar som kan sträcka sig tusentals ljusår ut i rymden.

Kvasarerna upptäcktes på 1950-talet, och var bland de första tecknen på att svarta hål faktiskt existerar ute i rymden och inte bara i teorin. Albert Einsteins allmänna relativitetsteori hade visserligen gett en teoretisk grund för fenomenet, men det tog lång tid innan forskare samlat på sig tillräckligt många olika observationer för att vara överens om att de faktiskt fanns i verkligheten. En upptäckt har lagts till en annan, och numera börjar astronomin att skapa en bild av ungefär hur vanliga de svarta hålen är, var de finns och hur stora de kan vara.

Några nyheter om svarta hål har slagit igenom brett. År 2020 gick Nobelpriset i fysik till både teoretiska beräkningar av hur svarta hål kan bildas, och till astronomer som arbetat med att pussla ihop observationer för att påvisa att det faktiskt finns ett supermassivt svart hål i centrum av vår egen galax, Vintergatan.

I april 2019 fick vi se den första bilden av ett svart hål i en granngalax, tagen av nätverket Event Horizon Telescope. Och 2017 belönades upptäckten av gravitations­vågor med ett Nobelpris – skälvningar i själva rumtiden som orsakas av svarta hål som smälter samman med varandra.

Gravitationsvågorna är mycket svaga och kräver flera kilometer långa anläggningar för att kunna upptäckas. Det har varit ett mödosamt arbete i decennier, men nu har det gett utdelning. Plötsligt går det att upptäcka även svarta hål som inte omger sig med lysande materia. Sådana är annars i stort sett helt osynliga.

– För fem år sedan visste vi ingenting om dessa. Nu vet vi mycket mer, säger Carl-Johan Haster.

Han forskar vid det amerikanska universitetet MIT, och är medlem av samarbetet kring Ligo – det amerikanska observatoriet för gravitationsvågor. Ligo har nu, tillsammans med det europeiska observatoriet Virgo utanför Pisa i Italien, släppt en katalog på 50 kollisioner mellan svarta hål.

Dessa svarta hål är mer beskedliga i storlek än de supermassiva svarta hål som finns i centrum av galaxerna, men de är fortfarande enorma med mänskliga mått mätt. Enligt vetenskapens förståelse av hur stjärnor lever och dör kommer många stjärnor som är större än ungefär åtta solmassor att sluta sitt liv i en supernovaexplosion som lämnar ett svart hål efter sig. Det har alltså varit mycket väntat att dessa svarta hål skulle finnas där ute. Genom att avkoda gravitationsvågornas form kan forskarna sluta sig till hur stora de ursprungliga svarta hålen var, och hur stort det nya svarta hålet blir efter att de smält samman.

Fastän gravitationsvågorna är så svaga och svåra att fånga upp när de väl når instrument på jorden är det oerhörda mängder energi som sänds ut.

– Den totala energin som skickas ut i form av gravitationsvågor från en kollision motsvarar ungefär två eller tre solmassor, säger Carl-Johan Haster.

Denna energi sänds ut i alla riktningar. Vore den inte så stark från början skulle vågen inte gå att urskilja här på jorden, ofta på flera miljarder ljusårs avstånd.

De 50 svarta hål-kollisionerna som har fångats upp mer än dubblerar antalet kän­da svarta hål som är av den storlek som förväntas vara resterna efter enskilda stjär­nor.

Tidigare har man bara kunnat upptäcka svarta hål av den här storleken om de har funnits i ett dubbelstjärnesystem. Det svarta hålet kan då dra till sig gas från sin stjärnkompanjons atmosfär, och skapa en lysande skiva omkring sig. Det är ungefär samma process som i kvasarerna, fast i mindre format.

Det första svarta hålet av den här typen som upptäcktes var Cygnus X-1, som finns i stjärnbilden Svanen, och som lyser starkt i röntgenstrålning. Det tog tid innan forskarvärlden förstod vad Cygnus X-1 var för något. De berömda fysikerna Stephen Hawking och Kip Thorne slog vad 1975 om huruvida det kunde vara ett svart hål. Först 1990 fanns tillräckligt övertygande observationer för att de skulle vara överens, och Stephen Hawking förlorade vadet.

Forskningen har alltså kommit mycket långt på några decennier, från vaga hypoteser till regelrätta kataloger över de svarta hålen. Men det finns fortfarande gåtor att lösa. Finns det till exempel svarta hål av alla storlekar?

– Svaret är att vi inte vet, säger astronomen Bengt Gustafsson, professor emeritus vid Uppsala universitet, som för några år sedan skrev en populärvetenskaplig bok om de svarta hålen.

Det skulle också kunna finnas små svarta hål, mindre än dem som är rester av döda stjärnor. De skulle i så fall ha uppstått i universums tidiga barndom. Ingen har dock kunnat påvisa att de finns, så det är en av de gåtor som återstår att lösa. Alla andra svarta hål har troligen först varit stjärnor.

– Supermassiva svarta hål är förmodligen resultatet av svarta hål med stjärn­ursprung som har kommit samman och smält ihop, säger Bengt Gustafsson.

Men det tycks finnas ett gap mellan hål som består av en eller två döda stjärnor, och de som liknar det i Vintergatans mitt på flera miljoner solmassor. Förra året upptäcktes för första gången ett svart hål i intervallet däremellan, som bedömdes vara på 50 000 solmassor. Svarta hål i denna storleksordning tycks vara ovanliga.

Sökandet efter svarta hål fortsätter. Förutom de metoder som redan nämnts kan de upptäckas genom sin effekt på hur stjärnor i närheten rör sig – det var så det svarta hålet i Vintergatans mitt till slut kunde påvisas. I andra galaxer där det inte är möjligt att studera enskilda stjärnor går det att titta på spridningen i stjärnornas hastigheter nära galaxens centrum, och på så sätt dra slutsatser om det svarta hålet som gömmer sig. En annan metod för att hitta mer närbelägna svarta hål skulle kunna vara att se när ett svart hål passerar mellan teleskopet och någon avlägsen stjärna. Dess gravitationsfält kunde då fungera som en teleskoplins, som skulle förvränga och förstärka stjärnans ljus.

Svarta hål upptäcks i alla riktningar. Man vet inte riktigt hur många det finns, men utifrån de observationer som finns går det att uppskatta ett maxantal. Ingen har dock upptäckt något svart hål som är närmare jorden än 1 000 ljusår. Det kanske lugnar någon av dem som hör av sig till Bengt Gustafsson och oroas av svarta hål:

– De är rädda för att vi ska fångas och sväljas av dem. Ungefär som att de skulle vara något slags kosmiska dammsugare som åker omkring och sväljer allt omkring sig. Men i själva verket vore det mycket större risk att vi skulle kollidera med en stjärna, säger Bengt Gustafsson.