Det første bildet av det svarte hullet i sentrum av galaksen Messier 87. (Foto: EHT Collaboration)
Det første bildet av det svarte hullet i sentrum av galaksen Messier 87. (Foto: EHT Collaboration)

Første bilde av et svart hull:
Hvor går veien videre?

Ti år og mer enn 200 forskere måtte til for å lykkes med å ta et bilde av det ingen egentlig visste om fantes. Hvorfor har denne oppdagelsen stor verdi for menneskeheten?

Publisert

I pressekonferanser over hele verden 10. april ble det første direkte visuelle beviset på et supermassivt svart hull og dets skygge avslørt.

Astronomene som deltar i prosjektet Event Horizon Telescope (EHT)-Collaboration kunne avsløre at de har lykkes i å gjøre det umulige:

– Vi har sett det vi trodde ikke var mulig å se. Vi har sett og tatt bilde av et svart hull, fortalte prosjektdirektør for EHT, Sheperd S. Doeleman fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Bildet viser den såkalte hendelseshorisonten: En ringlignende struktur med en mørk sentralregion – det sorte hullets skygge.

Å se det usynlige

– Et svart hull er et område i rommet der tyngdekraften er så sterk at selv lys ikke kan slippe ut av det. Hendelseshorisonten er overflaten til dette området, forklarer professor Øystein Elgarøy, som er kosmolog ved Universitetet i Oslo.

Øystein Elgarøy er professor ved Institutt for teoretisk astrofysikk. (Foto: UiO)
Øystein Elgarøy er professor ved Institutt for teoretisk astrofysikk. (Foto: UiO)

– Den er ikke laget av noe stoff, men den markerer grensen mellom innsiden av det svarte hullet, som ingenting kan slippe ut av, og utsiden, der det fremdeles er mulig å komme seg vekk. Alt som skjer innenfor hendelseshorisonten, er for alltid skjult for oss, derav navnet.

Det svarte hullet kaster en skygge på skiven av den svært varme, lysende gassen og støvet som kretser rundt og faller ned i det svarte hullet, noe som ble forutsagt i Einsteins generelle relativitetsteori og som vi aldri har sett før.

– Denne skyggen, forårsaket av gravitasjonsavbøyningen og fangingen av lys ved hendelseshorisonten, avslører mye om naturen til disse fascinerende objektene og har gitt oss mulighet til å måle den enorme massen til galaksen Messier 87s svarte hull, forklarte Heino Falcke på pressekonferansen.

Han er leder for EHTs forskningsråd og professor ved Radboud University i Nederland.

En kunstnerisk fremstilling av fotonenes – lyspartiklenes – stier i nærheten av et svart hull. Gravitasjonsbøyningen og fangingen av lys ved hendelseshorisonten er årsaken til skyggen fanget av EHT. (Illustrasjon: Nicolle R. Fuller/NSF)
En kunstnerisk fremstilling av fotonenes – lyspartiklenes – stier i nærheten av et svart hull. Gravitasjonsbøyningen og fangingen av lys ved hendelseshorisonten er årsaken til skyggen fanget av EHT. (Illustrasjon: Nicolle R. Fuller/NSF)

Indirekte data

Alt vi har visst om svarte hull fram til i dag, har vært basert på indirekte data samlet fra enorme avstander.

– Tidligere observasjoner av en jetstråle viste at galaksen Messier 87 hadde en aktiv galaksekjerne, hvor aktiviteten antas å få sin energi fra et supermassivt svart hull, og man hadde også et mål på massen til det svarte hullet basert på målinger av hvor fort stjerner beveger seg i de innerste delen av galaksen, forklarer Håkon Dahle. Han er forsker i kosmologi og ekstragalaktisk astronomi ved UiO.

Håkon Dahle er forsker ved Institutt for teoretisk astrofysikk. (Foto: UiO)
Håkon Dahle er forsker ved Institutt for teoretisk astrofysikk. (Foto: UiO)

Dette har nå endret seg som et resultat av EHT-samarbeidet.

Som å ta et bilde av en appelsin på månen

Ifølge Einsteins generelle relativitetsteori er det slik at jo mer massivt et svart hull er, jo større er skyggen og dets grense: hendelseshorisonten.

Det supermassive svarte hullet i sentrum av Messier 87 (M87) er et av de største svarte hullene som er synlige fra jorden.

Det har en masse på 6,5 milliarder ganger solens masse, og hendelseshorisonten måler like under 40 milliarder kilometer på tvers.

Men det å ta et bilde av det svarte hullet – 55 millioner lysår unna jorden – kan sammenliknes med å forsøke å ta et bilde av en appelsin på månen fra jorden. Et vanlig teleskop er ikke nok.

Derfor har astronomer brukt flere teleskoper over hele kloden som ser på det samme svarte hullet samtidig, og ved å utnytte rotasjonen av planeten vår, danner de et stort, jordisk teleskop som observerer ved en bølgelengde på 1,3 mm, skriver European Southern Obeservatory på sine nettsider.

Denne metoden gjorde at astronomene kunne få bra nok vinkeloppløsning til å se det svarte hullets skygge. Dette tilsvarer å kunne lese en avis i New York fra en fortauskafé i Paris, ifølge RadioNet.

Data tilsvarende 13 år med DVD-film

Oppkalt etter hendelseshorisonten sammenkobler Event Horizon Telescope (EHT) åtte av verdens høyeste og mest isolerte bakkebaserte radioteleskoper og –observatorier. Til sammen danner de et massivt, virtuelt teleskop med en diameter på størrelse med jorden.

De uavhengige observasjonenene av M87s svarte hull ble gjennomført over flere dager i løpet av 2017. Hvert teleskop ga enorme mengder data – omtrent 350 terabyte per dag, det vil si 175 millioner digitale bilder eller 13 år non-stop DVD-filmer.

På spesialutviklede harddisker ble dataene fløyet til superdatamaskiner for å kombineres. Ved hjelp av flere kalibrerings- og avbildningsmetoder ble de lovende dataene deretter nøyaktig konvertert til det berømte bildet av det svarte hullets skygge.

– Den største utfordringen må ha vært å prosessere tilsammen 4 petabyte (4000 terabyte) med data fra åtte forskjellige radioteleskoper på riktig måte for å få fram bildet, sier Dahle imponert.

Bekreftelse av mer enn 100 år gammel teori

Svarte hull er et begrep med en lang og kronglete historie som begynte i 1915, da Einstein publiserte den generelle relativitetsteorien.

Observasjonene fra EHT er en ny bekreftelse av at svarte hull finnes og har egenskaper som forutsagt av den generelle relativitetsteorien.

– Dette ble i grunnen bekreftet allerede for tre år siden da LIGO publiserte de første målingene av gravitasjonsbølger fra kolliderende svarte hull, sier Håkon Dahle.

–Men det svarte hullet i M87 er mer enn 100 millioner ganger mer massivt enn de svarte hullene LIGO måler, og man kunne tenke seg avvik fra den genrelle relativitetsteorien som bare er observerbare for store masser. Det har man altså ikke observert.

Han la merke til at siden M87 er en aktiv galakse med en jet, kan det gi innsikt i prosesser som også foregår i kvasarer og andre typer aktive galaksekjerner med mye kraftigere aktivitet enn M87.

Fra et teoretisk synspunkt bekrefter disse observasjonene også at modellene for oppførselen til materie som faller inn mot et svart hull, fungerer godt, påpeker professor Elgarøy.

– Fremtidige, mer detaljerte bilder kan hjelpe til med å videreutvikle disse modellene, fortsetter han.

Mer enn bare et bilde

De verdifulle resultatene er publisert i en serie på seks vitenskapelige artikler. Dataene regnes som en gullgruve av informasjon om de fysiske prosessene som foregår i den umiddelbare nærheten av det svarte hullet.

– Det skjer tydelige endringer på bare noen få dager i de nærmeste omgivelsene til det svarte hullet man ser på bildet. Her er det mye action, påpeker Dahle.

Det skjer også stadige utbrudd i strålingen fra omgivelsene til SagA*, det supermassive svarte hullet i Melkeveien. Der kretser det turbulente plasmaet rundt det svarte hullet på tidsskalaer på kun få minutter.

– EHT vil kunne avsløre hvilke prosesser som forårsaker disse utbruddene. Det kan være knyttet til magnetfeltet omkring det svarte hullet som de kommende datene vil gi informasjon om, sier han.

Faktisk styrer strukturen til magnetfeltet både hvordan materie faller inn i det svarte hullet og hvordan jetstråler av materie, slik som vi ser i M87, blir dannet.

EHTs resultater representerer også kulminasjonen av tiår med observasjonelt, teknisk og teoretisk arbeid og innsats fra mer enn 200 forskere fra hele verden, noe som krevde et nært og globalt teamarbeid.

Teleskop på månen

Den banebrytende oppdagelsen har åpnet et helt nytt vindu mot svarte hull og hendelseshorisonten, og astrofysikere gleder seg til flere utfordringer ut over jordens grenser:

– For å få vesentlig skarpere bilder enn det EHT kan produsere, må man ha enda større avstander mellom radioteleskopene. Det å plassere et radioteleskop på månen er en interessant tanke.

– Radioteleskop på månen alene er ikke nok til å lage ordentlige pene bilder med økt skarphet, men det vil gi nok informasjon til å måle størrelsen, og dermed massen, på mange flere svarte hull enn de to som er innen rekkevidde for EHT, sier Dahle.

– Enorm teknologisk og vitenskapelig prestasjon

– Så hva gjorde aller mest inntrykk?

– Jeg ble mest overrasket over at de allerede hadde klart å observere dag-til-dag variasjoner i strålingen fra omgivelsene til det svarte hullet. Basert på hvor godt de tidligere LIGO-resultatene stemmer overens med den generelle relativitetsteorien, hadde jeg forventet en god match mellom simuleringer og observasjoner, sier forsker Dahle.

– Jeg er først og fremst imponert over at det er mulig å ta et slikt bilde, det er en enorm teknologisk og vitenskapelig prestasjon. Og så er det fantastisk å tenke på at svarte hull, som i begynnelsen så ut til å være et sært fenomen som bare fantes på teoretikernes skrivebord, virkelig finnes, at vi kan regne på hvordan de oppfører seg og at utregningene ser ut til å stemme, sier professor Elgarøy.