Spåren efter universums första svarta hål

I mitten av alla medelstora och stora galaxer, till exempel vår egen galax Vintergatan, finns supertunga svarta hål. Trots att de inte går att se har astronomerna under de senaste 20 åren samlat tillräckliga bevis för att säkert veta att de svarta hålen verkligen finns där. Med allt modernare teleskop har de kunnat mäta egendomliga stjärnrörelser i centrum av flertalet galaxer. Den bästa förklaringen är att rörelserna styrs av gravitationskraft från en massa som är samlad inom en radie som motsvarar solsystemets, men som är flera miljarder gånger större än solens.

En annan säregen egenskap hos galaxerna och de tillhörande svarta hålen är att ju större värdgalaxen är, desto tyngre är det svarta hålet i centrum. Vår tolkning av detta är att det finns ett intimt och ömsesidigt samband mellan de supertunga svarta hålen och deras värdgalaxer. Då är det inte helt orimligt att anta att samma fysikaliska processer som leder till uppbyggnad av galaxer också styr uppbyggnaden av supertunga svarta hål. Vad bildades då först – galaxerna eller de svarta hålen i deras mitt?

Själv har jag i över 15 år följt utvecklingen inom detta forskningsfält. En tydlig trend är att den försiktighet som rådde bland forskarna före 2000-talet, nu helt och hållet har försvunnit.

Vissa vaga tecken betraktas i allt högre utsträckning som vetenskapliga fakta av den yngre generationen forskare. Ännu har vi dock inte några gedigna bevis för att det finns ett starkt samband mellan hur galaxer och supertunga svarta hål bildas. De samband som har hittats kanske ändå inte gäller, åtminstone inte för det tidiga universum. Det visar studier av avlägsna galaxer.

Svarta hål hör till de mest extrema och bisarra förutsägelserna av den allmänna relativitetsteorin. Teorin har revolutionerat vår syn på universum när den fullbordades av Albert Einstein för 100 år sedan. Han beskrev gravitationen som en geometrisk egenskap hos rumtiden, till skillnad från den klassiska modellen där gravitationen beskrevs som en kraft.

Mot slutet av 1930-talet räknade de amerikanska fysikerna Robert Oppenheimer och Hartland Snyder ut ett möjligt öde för en massiv, sfärisk, tryckfri och självgraviterande fluid. De kom fram till att ett tillräckligt massivt sådant objekt kunde kollapsa under den egna tyngden och övergå till en matematisk singularitet, ett så kallat svart hål. Denna slutsats är en filosofisk paradox i sig, då den innebär att fysikens lagar beskriver en situation som bryter mot själva fysiken.

Ett svart hål är ett område i rumtiden där gravitationskraften är så stark att till och med ljusstrålar, som kommer tillräckligt nära, slukas av det svarta hålet för att aldrig komma ut igen. De egendomliga förhållandena i och runt om det svarta hålet motsäger all intuition. Ingen kan till exempel se att ett objekt som håller på att falla in i ett svart hål, faktiskt faller in i hålet. I stället kommer objektet att bromsas allt mer medan det närmar sig randen av det svarta hålet, samtidigt som det byter färg och blir allt rödare och rödare. Till slut blir det osynligt.

Supertunga svarta hål utmärks av en del andra underliga egenskaper. Som det förväntas av ett svart hål slukar det all gas och allt stoft som hamnar i närheten. All materia samlas på väg in i en skivliknande form. Denna så kallade insamlingsskiva, med en radie på flera hundra miljoner kilometer, består av tätt packad elektriskt laddad materia, plasma, som hettas upp ganska snabbt. Insamlingsskivan matas ständigt med rymdgas utifrån och roterar med hastigheter på upp till 10 000 kilometer i sekunden. En kombination av starka friktionskrafter och extrema hastigheter skapar hetare områden, där gasen slungas ut ur insamlingsskivan och formar en jetstråle som består av partiklar med hög energi.

Jetstrålens energi och gravitationsstyrkan hos det svarta hålet skapar tillsammans den mest effektiva energiprocess vi känner till i hela universum. Jämfört med en vanlig glödlampa omvandlar ett roterande svart hål upp till 250 miljarder gånger mer materia till energi.

Men varifrån kommer dessa svarta hål? Vanliga svarta hål kan bildas i en stjärnexplosion. När en tillräckligt tung stjärna, på mer en tio gånger solens massa, har förbränt allt sitt kärnbränsle, kollapsar den under sin egen tyngd. Då exploderar stjärnan i en supernova.

Detta är dock inte det enda sättet för ett svart hål att födas. Banbrytande teoretiska studier har på senare år visat att ett svart hål kan uppstå även utan att föregås av en stjärna. I det tidiga universum var förhållandet mellan gravitationskraften och den elektromagnetiska strålningen så unikt att stjärnbildningen ibland kunde övergå till ett svart hål direkt, utan att en supernova bildades på vägen. Vad kom då först – stjärnor eller svarta hål? Och hur kan man gå till väga för att besvara frågan?

Om universum vore oändligt stort och oändligt gammalt skulle vi rimligtvis inte kunna ställa frågan om vilket som kom först. Men för oss astronomer är den kosmiska bakgrundsstrålningen ett bevis för att universum har en mätbar storlek och ålder. En mer intuitiv ledtråd kan vi få om vi i stället ställer den gamla frågan – varför är himlen mörk på natten? Svaret har att göra med att storleken på vårt universum är begränsad. Så låt oss ta ett steg tillbaka i tiden och följa utvecklingen av denna tankegång.

Numera vet alla att jorden inte ligger i centrum av universum, utan att den tillsammans med alla andra planeter i solsystemet rör sig i en omloppsbana kring solen. Denna så kallade heliocentriska världsbild lades fram år 1543 av Kopernikus, och efter många års motstånd vann den slutligen allmänt gehör.

Trots att vi ofta hör att motståndet hade sina rötter i kyrkan, fanns det faktiskt också vetenskapliga argument mot den heliocentriska världsbilden, bland annat för att denna i sin första version inte kunde förklara en del observerade astronomiska fenomen. Ett sådant var paradoxen med den mörka natthimlen. Förutsatt att universum är oändligt och innehåller oändligt många stjärnor, vilket var en ledande världsbild fram till för bara några decennier sedan, så borde man se en stjärna på himlen i vilken riktning man än tittar. Både dag och natt skulle hela himlen lysa lika starkt som solens yta. Men så är det ju inte. Natthimlen är mörk.

Det dröjde ganska länge innan paradoxen kunde lösas. En förklaring är till exempel att universum expanderar, en annan att ljusets hastighet är ändlig. Men sedan 15 år tillbaka vet vi att det som bidrar mest till att det är mörkt på natten är just universums begränsade storlek. Och i så fall kan vi tala om en början på det hela.

Enligt den moderna kosmologin skapades universum i big bang för nästan 14 miljarder år sedan. De första stjärnorna bildades några tiotal miljoner år senare och under mycket unika förhållanden. På den tiden var sannolikheten mycket högre för stjärnor att skapas än för galaxer.

I det tidiga universum bildades atomerna, mest väte, direkt ur högenergetisk strålning. Sedan, under speciella förutsättningar, kunde atomerna slås ihop till molekyler. Räknar vi med de olika effekterna och tar hänsyn till att de primära molnen inte bara består av atomärt väte så kan de första stjärnorna bildas relativt snabbt. Det behövs inte längre tid än cirka 70 000 år för att en stjärna 300 gånger tyngre än solen ska uppstå ur ett gasmoln som kollapsar under sin egen tyngd. Men då dyker det upp ett annat problem: de nybildade stjärnorna hämmar skapandet av galaxer. Även om bara en liten del, endast tre procent, av den totala andelen gas i molnet går åt för att bilda stjärnorna, kommer trycket från stjärnvindarna och exploderande supernovor att förhindra att galaxer över huvud taget bildas.

Under vissa omständigheter kunde ett svart hål uppstå direkt, utan en stjärna som föregångare. Men då måste molnet bestå av enbart atomärt väte samt en stark och speciell typ av ultraviolett strålning som kallas Lyman-Wernerstrålning. Den strålningen är särskilt effektiv när det gäller att förstöra molekyler, och därmed kan det kollapsande molnet inte kylas ner till den temperatur som krävs för att sätta i gång en fusion och tända en stjärna. I stället bildas ett svart hål. Fast inte hur lång tid som helst efter big bang. Efter 150 miljoner år upphör chansen för svarta hål att skapas direkt. I dag är alltså en direkt kollaps av molnet till ett svart hål inte längre möjlig.

Det finns sålunda en möjlighet för svarta hål att bildas direkt, utan en föregående stjärnexplosion. För att kartlägga vad som faktiskt hände i det unga universum måste vi mäta storleken på de primära gasmolnen, bestämma deras kemiska sammansättning och uppskatta den omgivande strålningen.

Sådana mätningar kan bara göras med mycket känsliga instrument. I dag lämpar sig endast ett fåtal astronomiska teleskop för att studera galaxer och gasmoln i det unga universum. Men inte ens de bästa – Hubbleteleskopet i rymden eller Sloanteleskopet på marken – kan se bortom de första årmiljarderna efter big bang. Och då går det bara att mäta strålarna från de ljusstarkaste galaxerna, vilket är knappt 20 procent av den totala strålningen i universum på den tiden. Därför har vi hittills fått en mycket begränsad inblick i de fysikaliska förhållanden som rådde drygt en miljard år efter big bang. I nuläget är vi långt från att kunna studera de gasmoln som gav upphov till de första strukturerna i universum.

Efterföljaren till Hubbleteleskopet, James Webb-teleskopet, med sin 6,5 meter stora spegel (att jämföra med Hubbles 2,4 meter) kommer att kunna fånga upp betydligt ljussvagare signaler. Fast inte ens med James Webb-teleskopet kommer de gasmoln som bildar de första svarta hålen att kunna observeras direkt. Däremot kan vi använda teleskopet och utnyttja redan tidigare utarbetade metoder för att mäta andelen atomer och molekyler i det tidiga universum. Då kan vi kanske se vad som fanns först – stjärnor eller svarta hål. Samtidigt kan det säkert hända att universum fortsätter att överraska oss och att vi ser tecken på processer som vi inte räknat med hittills.

Den moderna kosmologin beskriver hur galaxer bildades under den första miljarden år efter big bang. Än i dag har vi inte någon hållbar teori för hur det gick till när supertunga svarta hål skapades. Vi vet till exempel att de omöjligt kan härstamma från ett enda kollapsande gasmoln. Ett sådant moln slits itu av värme och slumpmässiga rörelser innan det hinner kollapsa till ett svart hål.

Ett annat sätt att bilda ett supertungt svart hål skulle kunna vara att slå ihop flera mindre svarta hål. Men enligt våra datormodeller krävs det längre tid än universums ålder för att föra samman de nödvändiga hundratusentals vanliga svarta hålen (på några tiotal gånger solens massa). I stället kunde kanske ett supertungt svart hål bildas inom en rimligare tidsram, om ursprungsfröet är betydligt tyngre än ett vanligt svart hål. Även då måste flertalet svarta hål slås ihop till ett medeltungt svart hål (flera tusen gånger tyngre än solen). Detta tar endast någon miljard år, vilket är jämförbart med tiden det tar att bilda de första galaxerna. Vilket kommer då först?

Vi vet att ett gasmoln i det tidiga universum kunde kollapsa till ett svart hål. Detta krävde speciella förhållanden – bland annat bidrog den starka ultravioletta Lyman-Wernerstrålningen till att ganska snabbt bilda medeltunga svarta hål. Och då skulle det kunna hända att en tät hop med vanliga svarta hål och stjärnor kring ett medeltungt svart hål relativt enkelt och snabbt slogs samman till ett supertungt svart hål, innan den första galaxen i universum bildades. Först ett svart hål och sedan en galax runt om alltså, är ett möjligt scenario för hur det gick till i tidernas begynnelse. Men det återstår fortfarande att se om detta verkligen har hänt. 

Om forskaren: Kambiz Fathi

Kambiz Fathi är docent i astrofysik vid Stockholms universitet. Han bedriver forskning genom att tillämpa matematiska modeller på astronomiska mätdata från både jord- och rymdbaserade observatorier. Modellerna används för att studera den dynamiska utvecklingen hos galaxer och deras kopplingar till gasflöden in mot supertunga svarta hål.

Just nu väntar han på nya mätningar från Almateleskopet i Chile, för att kunna följa gasens inflöde hela vägen till 20 ljusår från det svarta hålet i galaxen NGC 1097.