Universets Sorte Spejle
Tæt på randen af et sort hul er tyngdekraften så intens, at lys ikke bare afbøjes kraftigt, men kan rotere mange gange rundt om det sorte hul. Herved opstår en slags spejl, der viser et uendeligt antal billeder af Universet. Hvis dette fænomen i fremtiden kan observeres med teleskoper, vil det være en ny mulighed for at teste vores forståelse af tyngdekraft.
Af Albert Bjerregaard Sneppen
Af alle Universets fascinerende fænomener og matematiske skønheder er det sorte hul nok stadig det, der bryder mest med den menneskelige intuition. Det sorte hul standser tiden selv og fanger alt i sit indre – selv lys kan ikke undslippe. Og dog spejler det sorte hul Universets lys på dets kant. Det er en matematisk kendsgerning, jeg har fundet frem til ved at omskrive Einsteins love for tyngdekraft til at skabe et nyt matematisk udtryk for lysets baner omkring et sort hul.
Selvom det umiddelbart lyder paradoksalt, at sorte huller skulle reflektere lys, så er fysikkens love heldigvis eksplicitte nok. Så lad os indstille vores teleskop og sammen gå på opdagelse i, hvordan sorte huller reflekterer universets lys.
Et spejlbillede af universet
Forestil dig, at du står foran en perfekt rund kugle af sorthed i skærende kontrast til et omkringliggende hav af stjerner, galakser og kosmisk lys. Den perfekte runde kugle er defineret af en begivenhedshorisont – den radius fra det sorte huls midte, hvor intet, hverken hele stjerner eller bittesmå partikler af lys, kan slippe væk.
Vi vender i første omgang nu blikket mod de stjerner, som ligger langt fra den sorte kugles omrids. Det ligner vores vante nattehimmel. Her er lyset for langt væk til, at det vil blive tiltrukket af det sorte hul, og lyset vil derfor bevæge sig i lige linjer. Nu flytter vi dernæst blikket langsomt mod det sorte hul, og på et tidspunkt begynder lyset fra de stjerner, vi ser, at blive forvrænget, da tyngdekraften buer lysets baner. Først kun nogle få grader med den konsekvens, at stjernerne ikke længere ses der, hvor de burde være på nattehimlen. Endnu tættere på randen af det sorte hul afbøjes lyset 10-20 grader. Det betyder, at man kan se stjerner, der ligger bag det sorte hul, da deres lys afbøjes rundt om hullet. Når vi kommer endnu tættere på randen af det sorte hul, afbøjes lyset hundredvis af grader – så meget, at lyset faktisk roterer om det sorte hul.
De stjerner, som vi så langt fra det sorte huls omrids, skinner ikke kun mod os, men også i retning af den sorte kugle. Nogle af deres lysstråler snitter hullets rand, bøjer dramatisk og kastes ud i vores retning. Set fra vores position kommer dette lys nu fra kanten af det sorte hul. Det vil altså sige, at du både ser disse stjerner på din vante nattehimmel, men også i en slags spejl nær det sorte huls kant. På den måde bliver lyset fra alle egne af universet reflekteret tæt på randen. Ja, selv lyset fra vores planet kan i teorien ses efter at have roteret en fuld omgang i det sorte huls racerspor. Det er ikke et tydeligt billede af Jorden, vi kan få på den måde, for lysstrålerne er få og forvrænget af deres rejse. Men det er stadig vores omrids.
Sorte huller
Et sort hul er et område i rummet, hvor tyngdekraften er så intens, at intet, ikke engang lys, kan undslippe dets greb. Et sort hul opstår, når en tung stjerne “dør” og falder sammen til et ekstremt kompakt objekt under dets egen tyngdekraft. I kernen af et sort hul findes en såkaldt singularitet, som er et punkt med uendelig tæthed, hvor de kendte fysiklove bryder sammen.
Omkring denne singularitet findes begivenhedshorisonten, som definerer det sort huls kant – det vil sige den grænse, hvor intet kan undslippe det sorte huls tyngdekraft. Sorte huller er gådefulde kosmiske fænomener, som danner basis for mange af fysikkens endnu uafklarede spørgsmål om Universet.
Figuren viser, hvordan lysstrålers baner krummer i nærheden af et sort hul (eller et andet supertungt objekt som en neutron-stjerne). De hvide stråler ender i det sorte hul, mens de røde blot bliver bøjet dramatisk af dens tyngdekraft. Når man kigger på et sort hul, ser man ikke kun den side, man kigger på. Lys fra både forside og bagside kan nemlig rejse mod en, fordi lyset bøjes rundt om horisonten af tyngdekraften. Ser man mod et sort hul, vil stjerner derfor altid stå over horisonten, selv når de faktisk fysisk ligger bag det sorte hul.
Uendelige kopier af universet
For at forstå det næste, vores øjne vil se, når vores blik nærmer sig det sorte huls kant, har jeg med udgangspunkt i Einsteins love skabt et nyt matematisk udtryk for lysets baner. Dette nye matematiske perspektiv forklarer, at det lys, som når meget tæt på det sorte hul (men lige akkurat ikke falder ned i det), kan rotere mange gange om hullet, ligesom Jorden roterer om Solen, elektroner om atomkerner eller enhver god partner i folkedans. Derfor er der stråler af lys, som roterer 2 runder, andre 3 runder, og endnu andre som måske endda når 42 runder, før det kastes ud til os. Hver runde slipper noget af lyset ud og giver os et endnu et billede af stjernerne.
Hvert af disse billeder vil ses stadig tættere på den sorte kugles kant, for desto tættere lyset kommer – desto mere afbøjes det – og desto flere gange kan det rotere. Min forskning viser desuden, at hvert af spejlbillederne af universet bliver klemt i en smallere stribe end den sidste. Så jo tættere, vi kommer på det sorte huls kant, des tyndere vil billederne blive. Lige udenfor randen af et sort hul vil spejlbillederne af dig, din planet og lyset fra hele vores univers derfor gentage sig i det uendelige..
Figuren viser lysets baner nær kanten af et ikke-roterende sort hul. Det sorte huls singularitet (uendeligheden i hjertet af hullet) er indikeret med en sort prik, og begivenheds-horisonten (point of no return) er markeret med den stiplede linje. Længere ude findes den såkaldte foton-sfære, hvor lyset kan gå i kredsløb om det sorte hul. Desto tættere lyset kommer på fotonsfæren, desto længere kan det kredse om det sorte hul. Men da banen ikke er stabil, vil lyset enten falde væk fra det sorte hul eller spiralere ind mod singulariteten.
En sidste krølle på historien er, at rejsetiden for lyset bliver længere, jo flere gange det skal rundt om det sorte hul. Det betyder, at spejlbillederne bliver mere og mere “forsinkede” og derved har rejst fra fjernere og fjernere tidspunkter i fortiden. Hvis man forestiller sig en stjerne undergå en supernova-eksplosion i en bagvedliggende galakse, vil man derfor i teorien kunne se denne stjernedød ske igen og igen.
Den nye forskning afslører, at dette uendelige sæt af billeder gælder for alle sorte huller. Lige fra ensomme sorte huller, som roterer nær lysets hastighed, til den supertunge mastodont i midten af Mælkevejen. Overalt i kosmosset er Sorte huller således klædt i Universets lys.
En test af vores forståelse af tyngdekraft
Det resultat, jeg har fortalt om i denne artikel, er ikke bare en fascinerende abstraktion – det åbner også en ny mulighed for at teste vores forståelse af tyngdekraft. For hele dette flotte maleri på kanten af sorte huller følger direkte fra mine omskrivninger af Einsteins ligninger for tyngdekraft. Hvis det derfor lykkes at observere dette fænomen i virkelighedens verden, bliver det derved en direkte test af den beskrivelse af tyngdekraft, som Einstein udviklede – en test af, om vi forstår tyngdekraften selv i universets vildeste regime.
Event-Horizon-Teleskopet har i de seneste år taget de første billeder af sorte huller, men det er endnu grumsede billeder, og det vil kræve store fremskridt i opløsning at se de fine detaljer. Derfor kommer det til at blive de næste generationer af teleskoper (og forskere), som for første gang for mulighed for at se Universet på kanten af sorte huller. ♦
Med det internationale Event Horizon Telescope, som reelt er et netværk af radioteleskoper spredt ud over Jorden, er det lykkedes forskere at tage de første rigtige billeder af et sort hul i galaksen M87. Billedet viser retteligt “skyggen” af det sorte hul, da selve hullet er usynligt. Den asymmetriske skygge viser, at det sorte hul roterer. Credit: Broderick et al. 2022, ApJ, 935, 61 samt eventhorizontelescope.org.
Einsteins ligninger og tyngdekraften
Den første løsning af Einsteins ligninger for tyngdekraft blev lavet af Karl Schwarschild i østfrontens skyttegrave under første verdenskrig – og en matematisk konsekvens af Schwarschilds løsning var den mulige eksistens af sorte huller, hvor tyngdekraften bliver uendelig stor. Einsteins ligninger beskriver, at tyngdekraft er formen på universets rum og tid. Universets objekter former den rum-tid, de ligger i, og rumtidens form bestemmer, hvordan objekterne bevæger sig.
Det kritiske for at løse, hvordan legemer (eller lys) bøjer i sine baner af tyngdekraft, er altså, at man skal forstå, hvordan universets rum-tid er formet. Mine forskningsresultater baserede sig på, at jeg omskrev disse ligninger til at se, hvad der sker med disse ligninger, når man går tæt på den vildeste tyngdekraft i universet – det vil sige mod kanten af sorte huller.
Albert Bjerregaard Sneppen er ph.d.-studerende på The Cosmic DAWN Center og Niels Bohr Institutet, hvor han forsker i kosmologi, galaksers udvikling, sorte huller og neutron-stjerne kollisioner.
Hans forskning har ført til flere banebrydende resultater, hvilket inkluderer en ny måling af universets ekspansionshastighed, opdagelsen af formen på en kosmisk eksplosion og en matematisk formel for lysets underlige baner nær sorte huller.
albert.sneppen@nbi.ku.dk