Galaxernas svarta hål

Det är väl ingen som kan tvivla längre – mitt i vår galax Vintergatan finns ett svart hål, som långsamt slukar allt som kommer i dess närhet. Runt om kretsar stjärnor med en hastighet av 9 000 kilometer i sekunden. Det är just deras omloppsrörelse som avslöjar det supermassiva svarta hålet i mitten, nästan 4 miljoner gånger tyngre än solen. Men Vintergatans svarta hål är relativt fredligt – inte mycket massa försvinner bortom dess så kallade händelsehorisont, från vilken ingen återvändo finns.

Och mycket riktigt tycks Vintergatan vara en relativt lugn plats jämfört med aktivare galaxer, där våldsamma svarta hål i galaxernas centrum ger upphov till en mängd spektakulära företeelser. Nya observationer avslöjar att inte bara centrumen utan hela galaxerna påverkas av aktiviteterna i mitten, som tycks ha uppstått redan när galaxerna föddes.

Lyser mer än galaxens alla stjärnor

Trots att de aktiva galaxerna ser olika ut har de många likheter. Till skillnad från stjärnor sänder de ut all sorts strålning, från långvågiga radiostrålar till högfrekvent gammastrålning. Den grundläggande mekanismen är att i närheten av ett supermassivt svart hål frigörs oerhörda mängder gravitationsenergi, tusenfalt mer än den sammanlagda strålningen från alla galaxens stjärnor. Området som skickar ut energin kallas aktiv galaxkärna. Rymdteleskopet Spitzer har visat att de aktiva galaxkärnorna är betydligt fler än vi tidigare trott. Många har nämligen mängder med stoft runt om som blockerar en stor del av ljuset.

Den mest extrema formen av en aktiv galaxkärna är kvasarerna, vars ljus är så starkt att det oftast helt dränker ljuset från värdgalaxens stjärnor. Kvasarernas strålar avslöjar att de befinner sig mycket långt bort från oss. Ljuset skickades i många fall ut när universum bara var mellan en tiondel och hälften så gammalt som i dag. Det har därmed färdats mot oss i över 10 miljarder år. Däremot finns det inte någon kvasar i galaxer nära oss, vilket tyder på att kvasarer har begränsad livslängd. Men som tur är hittar vi mildare varianter av aktiva galaxkärnor på närmare håll, vilket gör att astronomerna med dagens jätteteleskop kan studera dem i detalj.

Stort som vårt solsystem

En aktiv galaxkärna är oftast extremt liten jämfört med hela galaxen, ungefär som vårt solsystem. Temperaturen ökar in mot centrum, där det blir så hett att mycket energirik röntgenstrålning sänds ut. Strålningen har den för oss forskare trevliga egenskapen att den tränger igenom stoftet som skymmer det svarta hålet i mitten och bär med sig information om fysiken i svarta hålets omgivning. Min egen forskning har delvis handlat om hur variationer i röntgenstrålningen kan tolkas.

Undersökningarna har lett fram till en bild av de aktiva galaxkärnorna. De ser ut att bestå av ett roterande svart hål i mitten, en skiva av gas som kretsar runt hålet och två jetstrålar åt var sitt håll längs hålets rotationsaxel. Astronomer som till vardags observerar dessa objekt blir fortfarande häpna över den enorma energi som frigörs. Jetstrålarna skjuts ut med nästan ljusets hastighet, och på något sätt får elektronerna i strålen sådan fart att de sedan rör sig i en rak linje i hundratusentals ljusår. Elektronerna alstrar då allt från röntgen- till radiostrålning, och så småningom bromsas de upp av gasen i rymden mellan galaxerna.

Att denna standardbild stämmer överens med verkligheten är dock långtifrån bevisat än, och man bör nog ha ett öppet sinne gentemot de överraskningar som väntar i takt med att observationerna förfinas. Det verkar dock klart att de svarta hålen påverkar sin omgivning i och med att jetstrålarna blåser i väg material och på så sätt skapar stora tomrum på ömse sidor om galaxen. Man har också visat att kraften i jetstrålarna beror på hur mycket material som förs ner mot det svarta hålet och hur snabbt det går. Ju mer gas, desto kraftigare strålar och tvärtom.

Finns svarta hål?

Men är det verkligen svarta hål som ligger bakom den våldsamma aktiviteten i mitten på galaxkärnorna? För rätt många år sedan var jag på en konferens i Cambridge, och som vanligt i akademiska sammanhang var diskussionen kring frågan intensiv. Några menade att en tät hop med stjärnor och kraftig stjärnbildning, så kallad starburst, var orsaken. Andra att det måste röra sig om svarta hål. Nyare forskning har visat att båda grupperna förmodligen hade rätt. Vad som händer inne i de aktiva galaxerna beror på omständigheterna, till exempel hur mycket massa som fanns tillgänglig när galaxen bildades.

Dessutom medför den intensiva stjärnbildningen att många supernovor uppstår, med svarta hål som slutresultat av deras utbrott. Då kan det hända att en centralt placerad supernova kollapsar till ett svart hål, som så småningom växer till en jätte genom att glufsa i sig materia från den omgivande galaxen. Eller så bildas det en grupp av mindre svarta hål i centrum, vilka rör sig i förhållande till varandra genom inverkan av gravitationen. Så småningom kolliderar de och ett supermassivt svart hål uppstår.

Bevis för att svarta hål verkligen finns kommer från observationer av ljus i olika våglängdsområden. Först tittar man efter hur fort gas och stjärnor kretsar kring galaxens mitt. Tillsammans med uppgiften om hur långt det är dit kan man sedan beräkna den totala massan i mitten. Om tillräckligt mycket massa finns inom en tillräckligt begränsad volym, har vi inget annat att välja på – det måste vara ett svart hål. På så sätt har astronomerna hittat svarta hål i flera närliggande spiralgalaxer utöver Vintergatan, som monstret på cirka en miljard solmassor inuti den elliptiska galaxen M87.

Galaxkollisioner matar svarta hålen

För några år sedan upptäcktes att de svarta hålen har större massa i de galaxer som har en jämförelsevis stor massa i den förtätning av stjärnor som återfinns i centrum av de flesta galaxer. Slutsatsen blev att det borde finnas ett samband mellan hur hela galaxen bildades och uppkomsten av dess centrala svarta hål. Flera samband har därefter hittats – allt ifrån hela galaxens massa till dess rotation tycks hänga ihop med det svarta hålets massa.

Mycket tyder på att en galax och dess svarta hål bildades ungefär samtidigt och att det svarta hålet är en naturlig biprodukt av galaxens födelse. I mycket avlägsna – alltså unga – galaxer har man funnit att de svarta hålen växer i takt med stjärnbildningsaktiviteten. Att många svarta hål är skymda av stoft och gas tyder på att stora mängder bränsle fanns tillgängligt, ofta som en följd av att galaxerna hade kolliderat och smält samman. Detta är en process som vi tror leder till de supermassiva svarta hål som måste till för att förklara de våldsammaste galaxkärnorna av alla – kvasarerna. När galaxer krockar kommer deras centrala svarta hål att närma sig varandra via den ömsesidiga tyngdkraften. När avståndet blir tillräckligt litet accelereras rörelsen så att hålen avger gravitationsvågor, vilket i sin tur leder till att hålen smälter samman ännu snabbare. Denna effekt borde vi kunna observera här på jorden den dag vi får tillgång till ett fungerande mätinstrument för gravitationsvågor. Hittills har man inte sett några, trots att försök har pågått i flera decennier. Det beror på att den förväntade effekten är oerhört liten – man måste mäta en rörelse som inte är större än en hundratusendels protonradie. Hoppet står nu till det europeiska rymdprojektet LISA, tre sammanlänkade satelliter med instrument som tillsammans ska fånga gravitationsvågor i rymden. De ska skickas upp i rymden år 2015.

Forskarna skulle gärna vilja veta mer om hur kopplingen mellan en galax och dess svarta hål ser ut i detalj. Men vi vet tyvärr förvånansvärt litet om hur galaxer bildades från början. Bilder från rymdteleskopet Hubble visar att galaxerna har hunnit utvecklas en hel del. Men tiden för själva födelsen ligger utom räckhåll för de teleskop som vi har i dag. Så vi får avvakta kommande instrument, som det nya rymdteleskopet JWST (James Webb Space Telescope) som ska ta över runt år 2013, när Hubbleteleskopet pensioneras.

Mörk materia gav form

En fingervisning om hur galaxerna en gång bildades har vi dock fått genom indirekta metoder, exempelvis datormodeller. Byggmaterialet som blev kvar efter big bang består till stor del av så kallad mörk materia, som inte lyser men som styr händelseutvecklingen genom gravitationskraften (se Universums mystiska mörker, F&F 4/06). Vi tror att det bildades ansamlingar av mörk materia, som kolliderade och slog ihop sig och som med sin massa drog till sig den lilla del vanlig materia av väte och helium som fanns runt omkring.

Så småningom kunde de första stjärnorna tändas. De bestod av väte och helium, de tyngre grundämnena saknades i början. När vätet var slut i stjärnorna avslutade de sitt liv på ungefär samma sätt som vi kan se än i dag. Beroende på stjärnornas massa omvandlas de till en vit dvärg, en neutronstjärna eller ett svart hål. En särskild variant är en sorts supernova där hela stjärnan förintas i en våldsam kollaps samtidigt som en del nya tunga grundämnen alstras i processen, för att sedan spridas ut i rymden. För en tillräckligt tung stjärna – och vissa undersökningar tyder på att de första stjärnorna var betydligt tyngre än dagens – blir slutfasen ett svart hål på cirka hundra solmassor.

I projektet Sloan Digital Sky Survey skapas en detaljerad karta över drygt en miljon galaxer och kvasarer i en del av rymden. Den visar att det fanns kvasarer redan när universum bara var en miljard år gammalt. För att åstadkomma den enorma ljusstyrka som kvasarer avger måste deras svarta hål – på mellan hundra och en miljard solmassor – snabbt ha vuxit till sig under ganska kort tid. Hur detta gick till vet ingen i dag, kanske var vissa svarta hål gynnade av en onormalt hög bränsletillgång från omgivande gas.

Ett sätt att effektivt mata de svarta hålen med gas är via galaktiska kollisioner. I en kollision bromsas galaxens rotation så att centrifugalkraften minskar, och därmed kan gasen lättare dras mot centrum och in i det svarta hålet. Samtidigt går en del av det galaktiska gasmolnet åt till att frenetiskt bilda nya stjärnor.

Kollisionerna var vanliga i början när universums expansion inte hade hunnit så långt och galaxerna låg relativt nära varandra. När mycket gas snabbt tillförs ett svart hål blir den aktiva galaxen ännu mer extrem. Då tänds kvasaren. Den spottar ut ljuspartiklar, fotoner, i en så kraftig ström att stjärnbildningen i galaxen stängs av. Dessutom avbryts gastillflödet till det svarta hålet vilket begränsar livstiden hos kvasaren till kanske hundra miljoner år.

Processen har inte avstannat, utan pågår än i dag. Vår egen Vintergata håller på att sluka flera mindre granngalaxer, som den lilla galaxen SagDEG (Sagittarius Dwarf Elliptical Galaxy), upptäckt så sent som år 1994. Och vår stora granne, Andromedagalaxen, är på kollisionskurs och kommer att braka in i Vintergatan om tre miljarder år. Efter en ödesdiger och komplicerad dans styrd av gravitationen kommer galaxerna att smälta ihop efter någon miljard år till, samtidigt som en kopiös stjärnbildning äger rum. Om vårt och Andromedagalaxens svarta hål kolliderar bildas kanske en kvasar som får sitt bränsle från stjärnbildningsaktiviteten, vilket skulle innebära en katastrof för det eventuella liv som då finns kvar.

Flyktvägen via ett svart hål

Om man ändå tar på spekulationshatten, så kan man fundera över vad som kommer att hända med universum långt in i framtiden. Astronomerna säger att universums expansion kommer att fortsätta i en oändlig framtid, i accelererande takt dessutom. Den gigantiska livscykel som pågår med stjärnor som föds, brinner ut och dör samtidigt som de ger ifrån sig material till nästa generation stjärnor kommer att upphöra när gasen tar slut. Efter några hundra miljarder år kollapsar även de mest långlivade stjärnorna. De några tiotal galaxer som finns i vår lokala grupp har kolliderat och bildat kanske ett enda supergalatiskt svart hål med enstaka planeter i omlopp kring sedan länge utbrända stjärnor.

Vi har då ett universum som har utvidgat sig så mycket att det är tomt på materia utanför vår lokala omgivning, som fortfarande hålls samman av gravitationen men är helt annorlunda än i dag. Det som nu finns kvar av solsystemet har förmodligen antingen slungats ut i rymden eller försvunnit ner i det supergalaktiska svarta hålet. Det är helt mörkt på himlen bortsett från enstaka ljusblixtar som uppstår när två stjärnrester kolliderar. Hur liv ska kunna anpassa sig till en sådan miljö är svårförståeligt; förmodligen måste det utnyttja rotationsenergin hos svarta hål som energikälla.

Om liv mot förmodan lyckas etablera sig i närheten av ett svart hål, så finns det ändå ett sätt att fly in i den avlägsna framtiden – enligt relativitetsteorin går nämligen tiden långsammare ju närmare det svarta hålet man kommer. När en minut har gått enligt den egna klockan precis utanför det svarta hålet har åtskilliga miljoner år förflutit längre bort. Frågan är dock vad vitsen med att fly i väg skulle vara i ett allt tommare och mörkare universum: en förutsättning för liv är att det finns en temperaturskillnad som kan användas som energikälla. Det är nog omöjligt i ett universum som utvidgar sig allt snabbare.

Om historien lär oss något, är det att mycket få vetenskapliga sanningar håller för alltid. Kanske är det så att vi kommer att lära oss skapa ett nytt universum när vårt eget är på fallrepet? Seriösa forskare som sir Martin Rees, kunglig astronom i Storbritannien, diskuterar redan möjligheten att det finns ett multiversum, där vårt universum bara är ett bland en oändlig mängd andra.

En spekulation är att man kanske kan rädda sig undan genom att på något sätt ta sig igenom ett svart hål till ett annat universum, helt olikt vårt. Oavsett hur realistisk en sådan tunnel kan vara, är det fascinerande att just svarta hål tycks ha en viktig roll både i början och mot slutet av universums historia.