Hur kan man upptäcka svarta hål?


Svarta hål - Huvudsidan
Svarta hål - Från då till nu
Därför kallas de för svarta hål
Varför är ett svart hål svart?
Olika typer av svarta hål
Svarta hål har inget hår
Svarta hål som kärnkraftverk
Svarta hål är inte helt svarta
Svartahålmekanikens lagar
Singulariteter i svarta hål
Svartahålmekanikens lagar
Så driver svarta hål kvasarer
Vilka stjärnor blir svarta hål
Existerar verkligen svarta hål?
Bilder på misstänkta svarta hål
Hur kan svarta hål upptäckas?
Varför finns svarta hål?
Forskning om svarta hål
Maskhål
Svarta hål - Ordlista
Svarta hål - Referenser & Litteratur

Eftersom svarta hål lämnar ifrån sig en högst obetydlig mängd svartkroppsstrålning så är det mycket svårt att upptäcka dem om de är helt själva i världsrymden och inte har materia att samverka med i dess omgivning. Visserligen böjs ljus av från bakomvarande objekt när de passerar det svarta hålet på väg mot Jorden men denna krökning är endast högst väsentlig inom ett fåtal radier ifrån det svarta hålet och är alltså obetydligt på kosmologiska avstånd. Den bästa chansen att upptäcka ett svart hål är alltså när det samverkar med materia. Realistiska metoder som har tagits fram för att kunna göra detta är dessa:

Detektion av gravitationsstrålning

Sedan gravitationsstrålning detekterades av LIGO för första gången kl 09:51 UTC den 14:e september år 2015 i de precis uppdaterade observatorierna i Livingston och Hanford så är det nu möjligt att observera Universum på ett sätt som är lika revolutionerande som när teleskop som observerar elektromagnetisk strålning uppfanns på 1600-talet. Svarta hål i storleksordningen 10 till 100 solmassor som kolliderar med varandra går att detektera på upp till ca 4 miljarder ljusår. Genom att återskapa signalerna genom simuleringar av kolliderande svarta hål så går det att få information om vad som hände. Det går ibland att komplettera gravitationsvågsobservationerna med optiska observationer. Det går, och har redan, hittats gravitationsstrålningsobjekt i det synliga spektrumet.

Gravitationsstrålning observerad av LIGO 14:e september 2015
Gravitationsstrålning från två kolliderande svarta hål detekterad av LIGO Livingston och LIGO Hanford 14:e september 2015. Återskapad med simulering av SXS (Courtesy LIGO).


Hur sammansmältandet av de två svarta hålen, med ca 36 samt 29 solmassor, detekterad av LIGO den 14:e september 2015 kunde ha sett ut i närheten. Simulerad av SXS (Courtesy SXS).

Genom att använda (minst) tre gravitationsvågsdetektorer går positionen på himlen för gravitationsstrålningskällan bestämmas med minst lika hög noggrannhet som elektromagnetiska observationer från Fermi. När fler observatorier tas i bruk och signal-till-brusförhållandet förbättras ytterligare så kan positionen som gravitationsstrålningen kommer ifrån förbättras ytterligare. Ytterligare två gravitationsvågsdetektorer håller på att konstrueras i Indien, aLIGO, och Japan, KAGRA.

Salpeter-Zeldovitj förslaget

Utvecklades av Edwin Salpeter och Yakov Zeldovitj år 1964. När ett svart hål, som har ett kraftigt magnetfält, färdas med relativistisk hastighet genom mediet, som består av gas, kommer en chockfront att bildas bakom hålet som får gasen att emittera starkt på de kortare våglängderna inom det elektromagnetiska spektrumet.

Zel'dovich-Novikov förslaget

Är troligen den bästa sättet att detektera svarta hål. En närliggande stjärna till det svarta hålet lämnar ifrån sig materia p g a stjärnvinden som fångas in eller sugs över av det svarta hålet. Materien accelereras mot hålet, krockar bakom det vilket får följden att materien upphettas starkt och utsänder röntgenstrålning. Troligtvis har man lyckats använda Zel'dovich-Novikov förslaget till att finna åtminstone ett svart hål. Denna röntgenkälla kallas för Cygnus X-1 eftersom det var den först upptäckta röntgenstrålande källan i stjärnbilden Svanen. Även de jättelika svarta hålen i galaxers kärnor avslöjar sin existens genom denna princip.

Masstransfer (Courtesy Spacetime wrinkles homepages)
Ett svart hål avslöjar indirekt sin existens genom principen i Zel'dovich-Novikov förslaget (Courtesy Spacetime wrinkles homepages).

Att röntgenstrålningen kommer ifrån ett svart hål och inte en neutronstjärna i de fall då det inte kan bestämmas om massan är större eller mindre än Landau-Oppenheimer-Volkov gränsen, och det är väldigt ofta, är att neutronstjärnans yta är hård och får materien att stråla bort största delen av sin energi när den krockar med ytan medan det svarta hålet har ett enkelriktat membran som suger in materien med dess energi och inte låter den strålas bort i normala fall. Dessutom så finns det en koppling mellan när den största utstrålningen av röntgenstrålning samt synligt ljus sker som kan avslöja om det är ett svart hål eller en neutronstjärna. I fallet med neutronstjärnan så sker den största utstrålningen av synligt ljus samtidigt som röntgenstrålningen medan i fallet med det svarta hålet så sker den största utstrålningen av röntgenstrålningen i storleksordningen ett antal dagar efter den största utstrålningen av synligt ljus. Anledningen till detta samt att neutronstjärnan emitterar ljus i röntgenområdet starkare än det svarta hålet är att s k advektionsdominerat ansamlingsflöde (ADAF) dominerar i normala fall vid ett svart hål. Då en större ansamling materia närmar sig ett svart hål som tidigare inte har haft särskilt mycket materia i dess närhet så rubbas ADAF-formen, ansamlingsskivan värms upp och synligt ljus utsänds i de yttre delarna av skivan. Eftersom horisonten hos de flesta svarta hål roterar med en hastighet i närheten av ljusets så har också materien i närheten av det svarta hålet en mycket hög rotationshastighet och måste sakta cirkla sig in mot det svarta hålets horisont. ADAF-formen ersätts sakta när de inre delarna av ansamlingsskivan närmar sig det svarta hålet och börjar utsända röntgenstrålning. Denna process tar i storleksordningen ett antal dagar och förklarar bl a tidsförskjutningen mellan det optiskt synliga ljuset och röntgenstrålningen i GRO J1655-40 år 1996.

ADAF (Courtesy Jeffrey E. McClintock)
ökningen av materialansamlingens hastighet runt det svarta hålet leder till att ADAF minskar, synligt ljus först utsänds i de yttre delarna av ansamlingsskivan och röntgenstrålning i de inre delarna ett antal dagar efteråt (Courtesy Jeffrey E. McClintock).

Källor:
[1]: Lasota, Jean-Pierre: "Unmasking Black Holes", s. 31.
[2]: LIGO - Gravitation Waves detected 100 years after Einstein's prediction", 2017-12-07.

Tillbaka till Kosmologikas hemsida Nästa sida
Copyright © www.kosmologika.net Materialet får skrivas ut och användas för personligt bruk. Användning i undervisningssyfte är ej tillåten utan vårt tillstånd - läs mer här: http://www.kosmologika.net/Copyright.html