Mörkrets hjärta – att upptäcka ett svart hål

I snart två decennier har astronomer följt stjärnor i Vintergatans centrum. Med stjärnrörelserna som vägvisare har de fått fram de mest övertygande bevisen hittills för att supermassiva svarta hål verkligen existerar. Vad annars skulle få stjärnorna längst in i Vintergatan att svänga runt med svindlande fart?

Massan som tvingar stjärnorna att fara runt har uppskattats till omkring fyra miljoner solmassor. Och all denna materia är hoptryckt inom ett område mindre än vårt solsystem. Det finns bara en misstänkt – ett supermassivt svart hål, som man numera brukar kalla Sagittarius A*. Allt annat som skulle kunna förklara vad astronomerna sett vore betydligt märkligare. Svarta hål är nog så märkliga.

Svarta hål kommer från Albert Einsteins relativitetsteori. Den beskriver hur materia kröker rymden runt omkring sig. Om det samlas väldigt mycket materia på samma ställe blir krökningen oändlig och ett svart hål bildas. Allt som kommer i närheten av ett svart hål försvinner in.

Mitt i alla svarta hål ruvar en så kallad singularitet. Singulariteter används i matematiken när något delas med noll. Svaret är en oändlighet. För fysiken är singulariteterna annorlunda: en gåta. Ingen vet vad det kan vara för något.

Ett är dock säkert – råkar man falla in i ett svart hål är ens öde beseglat. Det är som en brunn utan botten, allt som faller in utplånas nästan helt. Inte ens ljus kan ta sig ut. Ändå har brunnen ingen volym, ingen utsträckning.

Det finns dock en storhet som svarta hål kan kopplas till. Det är den så kallade Schwarzschild-radien, också kallad händelsehorisonten. Den beskriver en gräns runt om det svarta hålet. Allt som kommer innanför denna gräns dras in. Och det svarta hålet suddar ut spåren.

Om den bara packas tillräckligt tätt kan all materia bilda ett svart hål. Ju större massan är, desto större är det svarta hålets Schwarzschildradie. Ett svart hål med jordklotets massa har en Schwarzschildradie stor som en sockerbit. Ett svart hål med solens massa får en Schwarzschildradie på tre kilometer. Schwarzschildradien kan därmed användas för att räkna ut massan hos ett svart hål.

Redan på 1700-talet kom spekulationer om objekt så tunga att inte ens ljuset kunde fly dem. År 1939 föreslog Robert Oppenheimer – senare känd som ledare av det amerikanska atombombsbygget – att singulariteter kunde bildas när mycket massiva stjärnor kollapsade i slutet av sitt liv. Själva namnet, svarta hål, myntades så sent som 1967 av den amerikanska fysikern John Wheeler. Liksom många andra under det förra århundradet motsatte sig Wheeler först själva idén om svarta hål – hur kunde fysiklagarna leda till något som stred mot dem? Senare blev han en av de främsta utforskarna av gravitationsteorin och dess apokalyptiska förutsägelser.

Numera tror sig astronomer ha sett tecken på att det finns svarta hål i rymden, även om inte alla har låtit sig övertygas än. De svarta hålen finns i alla storlekar. De allra minsta svarta hålen skulle kunna perforera rymden och, osynliga som de är, utgöra en verklig fara för oss på jorden.

Större svarta hål bildas när vissa tunga stjärnor, över 25 solmassor, får slut på sitt kärnbränsle. Då exploderar stjärnan som en supernova, samtidigt som dess inre kollapsar till ett svart hål på mellan 3 och 10 solmassor.

Störst är de supermassiva svarta hålen, rymdens våldsammaste monster som kan bli upp till flera miljarder solmassor tunga. Ett av de största lär ruva mitt i den elliptiska galaxen M87 i stjärnbilden Jungfrun. Galaxen ligger 55 miljoner ljusår bort och hör till en av våra närmaste gigantgrannar. Men supermassiva svarta hål tros finnas inuti de flesta stora galaxerna.

Ungefär var tionde känd galax innehåller en aktiv kärna, en så kallad kvasar. Mitt i kvasaren finns ett supermassivt svart hål. Källan till kvasarens starka strålning förmodas ligga hos gas som far omkring det svarta hålet innan den försvinner in för evigt. Ju närmare hålet i centrum desto snabbare gasrörelse och kraftigare strålning som sänds ut – det är tecknen på att det faktiskt borde vara ett svart hål som driver på.

Vintergatans Sagittarius A* klassas som ett supermassivt svart hål. Men det är bara fyra miljoner solmassor tungt och därmed av en ganska beskedlig sort för att ingå i den supermassiva klassen. Så hur ska man hitta det? Enda sättet, liksom med alla de andra svarta hålen, är att undersöka vilken verkan de har på sin omgivning.

De första spekulationerna om att ett svart hål döljer sig inne i vår galax kom för drygt 40 år sedan. Den brittiska astronomen Martin Rees var en av dem som förutsade detta teoretiskt. Han föreslog att inte bara Vintergatan utan också nästan alla de andra galaxerna gömmer ett svart hål innerst inne.

Ungefär samtidigt upptäckte den amerikanske astronomen Eric Becklin att infraröd strålning kom från väldigt många stjärnor belägna mitt i Vintergatan. Radiovågskällan gavs namnet Sagittarius A, eftersom stjärnbilden Skytten ligger i Vintergatans centrum. Sikten in mot Vintergatan skyms dock effektivt av rymdens mäktiga stoftmoln. För att se in i galaxens hjärta krävs längre våglängder än det synliga ljusets. Infraröd strålning blev lösningen, och Becklin kunde från teleskopet på Mount Wilson i Kalifornien konstatera att ju närmare radiokällan han tittade desto fler stjärnor trängdes där.

Misstankarna om ett svart hål i Sagittarius A kom även från Charles Townes, Nobelpristagare och pionjär inom astronomiska studier i infraröd strålning. Townes och hans grupp såg interstellär gas färdas runt i Sagittarius A-regionen. Kunde ett svart hål ligga bakom? Det var inte många som trodde det då.

Det dröjde till 1990-talet innan större teleskop och bättre hjälputrustning tillät metodiska studier av Sagittarius A*. Den tyska astronomen Reinhard Genzel och den amerikanska astronomen Andrea Ghez satte i gång var sitt projekt för att försöka se igenom stoftmolnen ända in i Vintergatans mitt. Tillsammans med sina forskargrupper utvecklade de och förfinade tekniken, byggde lämpliga instrument och satsade långsiktigt. Konkurrens är ett inslag i all forskning, men insatserna underlättades också av att deras respektive observationer kompletterade varandra. Ändå skulle det dröja många år innan de lyckades övertyga världen om att det svarta Sagittarius A* inte bara var ett bisarrt påhitt. Numera är Vintergatans svarta hål det svarta hål som har mest övertygande bevis för sin existens.

Bara världens största teleskop duger till att spana mot avlägsna stjärnor. Ju större desto bättre, gäller i allra högsta grad inom astronomin – med en två gånger större teleskopspegel kan upp till sexton gånger ljussvagare stjärnor ses. Dessutom har Europa, för första gången på hundra år, på 2000-talet lyckats komma i kapp USA när det gäller stora teleskopbyggen. Därmed har det blivit möjligt för europeiska astronomer att tävla med amerikanska.

Den tyska astronomen Reinhard Genzel och hans grupp använde till en början new technology telescope som European southern observatory, ESO, byggde på La Silla-berget i Chile. Det var föregångaren till de fyra dubbelt så stora jätteteleskopen, som ingår i very large telescope, VLT, på Paranalberget (också i Chile), dit Genzel flyttade så småningom. VLT-teleskopen har världens största monolitiska speglar – stöpta i ett stycke – med drygt 8 meters diameter.

I USA använde Andrea Ghez och hennes forskarkolleger Keckteleskopen som står på Mauna Kea-toppen på Hawaii. Med sina speglar med nästan 10 meters diameter hör de till världens största i dag. Varje spegel liknar en honungskaka och består av 36 sexkantiga segment som kan styras var för sig för att bättre fokusera stjärnljuset.

Men för att kunna skilja stjärnorna från varandra i det avlägsna stjärnmyllret krävs mer än bara jätteögon mot rymden. Hur stora teleskopen än är finns det alltid en gräns för hur små detaljer de kan se. Detta är en följd av att vi bor på botten av ett nästan 100 kilometer djupt lufthav. Stora luftbubblor ovanför teleskopet, kallare eller varmare än omgivningen, fungerar som linser som bryter ljuset på dess väg ner till teleskopspegeln och deformerar ljusvågen. Därför ser stjärnorna ut att blinka, och därför blir bilderna oskarpa.

Adaptiv optik ska korrigera för detta. Teleskopet utrustas med en tunn extra spegel som ständigt omformas i takt med att en dator känner av en infallande ljusvåg från en äkta eller artificiell referensstjärna. Femhundra gånger i sekunden justeras spegeln genom att knycklas till åt olika håll med en precision på en miljondels meter.

I nästan två decennier har Reinhard Genzel och Andrea Ghez och deras forskarkolleger följt sina stjärnor steg för steg för att försöka åstadkomma en bästa möjliga modell av deras banor. Detta var det enda sättet att fastställa egenskaperna hos det svarta hålet, som med sin gravitationskraft styr stjärnornas rörelser runt det.

Under tiden har de utvecklat och förfinat tekniken alltmer. Med allt större digitala ljussensorer, CCD, och allt bättre adaptiv optik, har noggrannheten ökat mer än tusenfalt, vilket innebär att de nu kan se tusen gånger svagare stjärnor. Astronomerna kan också bestämma stjärnornas positioner med en noggrannhet på 30 tusendelar av en bågsekund. Det är som att se en enkrona på 30 kilometers håll!

Nu håller ett nytt instrument på att byggas vid VLT som ska kombinera ljuset från de fyra befintliga teleskopen. När det står färdigt om ett par tre år kommer astronomerna att kunna slå fast stjärnornas positioner en miljon gånger noggrannare, ner till 10 miljondelar av en bågsekund. Dessa stjärnor rör sig så nära det svarta hålet att effekter av den allmänna relativitetsteorin ska kunna studeras direkt.

Än så länge räcker Keplers rörelselagar från 1600-talet för att kartlägga banorna hos stjärnorna längst inne i vår galax. Forskarna följer de 28 stjärnor som lyser klarast i stjärnvimlet. Mest kaotiskt går det till inom en radie av en ljusmånad från centrum. Där uppför stjärnorna en rätt så rörig dans, som mest påminner om en bisvärm. Utanför denna cirkel har sex av stjärnorna uppmätts cirkla runt mitten av en elliptisk disk i en mer ordnad rörelse.

En av stjärnorna, S2, hinner fullborda ett varv kring galaxmitten på 15 år. Det är rekord! Den kortaste omloppstiden man tidigare kände till är 500 år. För att inte nämna att det för vår sol tar ungefär 230 miljoner år att ta sig runt Vintergatans mittpunkt. Sist vi var på samma ställe i vår galax som nu, vandrade dinosaurierna på vår planet. Men så är vi också på betryggande 26 000 ljusårs avstånd från det svarta hålet.

Med de nyupptäckta stjärnbanorna kan massan hos Sagittarius A* bestämmas mycket exaktare än tidigare. S2 är bara en ljusdag från det svarta hålet, bara några gånger längre bort än planeten Neptunus är från solen (50 miljarder kilometer). Aldrig tidigare har någon nått så nära Vintergatans mitt.

Hur stort är då det svarta hålet? Radiokällan Sagittarius A* har studerats med flera radioteleskop sammanlänkade över hela jordklotet med så kallad very long base-line interferometry, VLBI. Källan verkar sträcka sig ungefär så långt som medelavståndet mellan jorden och solen. Det finns skäl att förmoda att radiostrålningen sänds ut av en radiokälla som ligger kring det massiva objektet i centrum.

Tillsammans med de uppmätta stjärnbanorna ger mätningarna på så sätt en försiktig övre gräns för det supermassiva objektets storlek. Objektet är alltså säkert inte större än solsystemet och sannolikt betydligt mindre än så, vilket gör det mycket troligt att det verkligen är ett svart hål. I framtiden blir det kanske till och med möjligt att med sammankopplade radioteleskop i korta radiovåglängder få syn på själva det svarta hålet som det avtecknar sig mot bakomliggande gas.

Flera oväntade upptäckter gjordes när man studerade stjärnorna nära Vintergatans mitt. Som att stjärnor som passerar nära Sagittarius A* far i väg med svindlande hastigheter på över 15 miljoner kilometer i timmen.

Oväntad var också upptäckten att stjärnor som kom nära det svarta hålet inte nödvändigtvis blev förstörda. En del kanske till och med bildades där. Det vittnar deras heta yta om. Ju hetare en stjärna är desto yngre är den också. Ändå är grannskapet till ett svart hål en ganska osannolik miljö för att kunna vara barnkammare för stjärnor.

En annan överraskning har de mer eller mindre regelbundna utbrotten av infrarött ljus varit. Utbrotten sker några gånger per dag och varar några tiotal minuter. Förmodligen kommer de från det svarta hålets omedelbara närhet. Kanhända är utbrotten ett tecken på att hålet roterar. Det vet vi inte. Och frågorna om det svarta hålet är fler än så. Vad gör det stora monstret längst inne i Vintergatan? På vilket sätt påverkar det sin omgivning – och oss? Har det svarta hålet funnits där ända från tiden då vår galax började bildas någon miljard år efter big bang? Eller kom galaxen först och det svarta hålet sedan?

En möjlighet är att svarta hål och deras värdgalaxer på avgörande sätt påverkar varandras egenskaper. I så fall är dessa mörka förintelseverktyg oumbärliga för att något nytt ska uppstå – Vintergatan och Sagittarius A* är ohjälpligt förenade på liv och död.

Allt vi ganska säkert vet är att vårt närmaste supermassiva svarta hål finns mitt i vår galax. Nästa ligger antagligen 100 gånger längre bort, i vår granngalax, Andromeda.