Sort hull spiste laboratoriet mitt

Sorte hull skapt i laboratoriet betyr ikke at det er på tide å pakke sakene og flytte til et tryggere solsystem.

Published

Kollisjonsenergien i LHC

Den totale energien i hver protonstråle i LHC tilsvarer et hurtigtog på 400 tonn som suser av gårde i 150 kilometer i timen.

Bare en veldig liten del av denne energien frigis i hver gang to partikler i strålen kolliderer - noe tilsvarende et titalls mygg som flyr i luften.

Du frigir faktisk mye mer energi hver gang du smeller håndflatene sammen for å drepe én av de små blodsugerne.

Poenget er at energien er konsentrert på et ekstremt lite område, på subatomær skala - rundt en million million ganger mindre enn en mygg.

Et tankeksperiment: Hva om du fikk en syltynn nål festet til den ene håndflaten før du klasket i hjel myggen? Sannsynligvis ville du redusere kraften i klasket betraktelig, og myggen ville slippe fri.

Så mye energi på så små partikler skaper kollisjoner hvor partiklene blir presset ekstremt tett sammen.

Partiklene kommer opp i en fart som er 0,999999991 ganger lysets hastighet, men fysikerne er egentlig ikke mest opptatt av farten.

Mens ingenting kan reise raskere enn lyset, finnes det nemlig ingen grense for hvor mye energi en partikkel kan få.

I det en partikkel nærmer seg lyshastigheten skal det stadig mer energi til for å øke hastigheten. Partikkelfysikere tenker derfor mer på partikkelens energi.

Hver protonstråle som fyker rundt LHC vil ha en energi på 7 TeV (teraelektronvolt), så når to protoner smeller sammen vil kollisjonsenergien være på 14 TeV.

I dagligdagse termer er ikke dette spesielt mye. Én TeV tilsvarer omtrent bevegelsesenergien til én flyvende mygg.

Partiklene som utgjør kosmisk stråling kan for eksempel ha en energi på flere millioner TeV, og det er gjort noen observasjoner som tyder på kosmisk stråling med energi på flere hundre millioner TeV.

Vi kjenner etter hvert ganske godt til supermassive sorte hull som oppstår når utbrente store stjerner kollapser under sin egen gravitasjon.

Når disse stjernene klapper sammen, presses enorme mengder masse sammen i et volum mindre enn punktumet på slutten av denne setningen.

Disse sorte hullene kan trekke til seg masse og stråling som kommer for nær. For nær betyr forbi det sorte hullets hendelseshorisont (event horizon).

Hendelseshorisonten er et tenkt skall rundt det sorte hullet hvor gravitasjonskraften er så sterk at selv ikke lys kan unnslippe - noe som forklarer sortheten i sorte hull.

Astronomer er stort sett enige om at alle galakser ser ut til å ha et digert sort hull i midten - inkludert vår egen Melkeveien.

Vi tenker gjerne på dem som altetende, destruktive monster, og det er faktisk skrevet bøker om hvordan død ved sort hull ville fortone seg.

Lite og lærerikt

Et sort hull trenger imidlertid ikke å være stort og farlig. Det kan faktisk være ufattelig lite (og ekstremt lærerikt), bare massen kommer tett nok sammen.

Oppskriften på sorte hull kan du lese mer om i denne artikkelen.

Dersom fysikere klarer å lage dem under kontrollerte forhold i et laboratorium, kan det hjelpe oss til å forstå hvordan verden er skrudd sammen.

En del av detektoren ATLAS, en av fire detektorer langs Large Hadron Collider (LHC) ved Cern i Sveits/Frankrike. (Foto: CERN)
En del av detektoren ATLAS, en av fire detektorer langs Large Hadron Collider (LHC) ved Cern i Sveits/Frankrike. (Foto: CERN)

Ørsmå sorte hull produsert i laboratoriet kan for eksempel avsløre eventuelle ukjente dimensjoner. De kan også hjelpe fysikerne til å forstå gravitasjon bedre, eller bistå i jakten på både teoretiske og uforutsette partikler.

Enkelte mener faktisk at de små sorte hullene kan bli arenaen hvor fysikere endelig får dagens uforenlige teorier til å passe sammen.

Du ser kanskje for deg et lite sort hull som jafser i seg materien rundt og kanskje tar en god tygge av Europa.

I tilfelle er du ikke den første som lar frykten slippe løs i møte med dagens partikkelfysikk.

Kan forskere sette i gang eksperimenter som til slutt utsletter oss alle?

Brookhaven

Da partikkelakseleratoren Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ved Brookhaven National Laboratory i New York ble bygget, foregikk en het debatt som ikke manglet dommedagsteorier.

"Her ser du anlegget ved Brookhaven, med RHIC synlig i bakgrunnen."
"Her ser du anlegget ved Brookhaven, med RHIC synlig i bakgrunnen."

I 1999 trykte London-avisa Sunday Times for eksempel en artikkel om denne akseleratoren med tittelen “Big Bang machine could destroy Earth”.

Flere grupper protesterte høylytt mot åpningen av akseleratoren, og en rettssak ble satt i gang for å stoppe det hele. Hvorfor bruke 600 millioner dollar på en maskin som kan bety slutten for oss alle?

Verdens undergang lot imidlertid vente på seg da fysikerne satte i gang høyenergiske kollisjoner mellom atomkjerner av gull.

Isteden har eksperimentene blant annet lært oss mye om hvordan materien oppførte seg de første mikrosekundene etter at universet ble til.

- Kan svelge Jorden

Historien tatt i betraktning er det kanskje ikke så overraskende at den pågående byggingen av LHC-akseleratoren ved Cern i Frankrike/Sveits har fått frykten for utslettelse til å våkne igjen hos enkelte.

Mange forskjellige scenarier florerer, og naturlig nok er noen av dem inspirert av muligheten for at det oppstår sorte hull.

Ett nettsted slår for eksempel kort og greit fast at de små sorte hullene i verste fall kan svelge Jorden.

En fysiker som kan sine ligninger vil kanskje være fristet til å slippe ut en liten (nervøs?) latter, men problematikken blir fortsatt tatt alvorlig.

"Jordkloden - plutselig slukt av sort hull? Neppe."
"Jordkloden - plutselig slukt av sort hull? Neppe."

I forbindelse med Brookhaven-akseleratoren ble det for eksempel gjort en grundig evaluering hvor fremtredende fysikere deltok.

Særkvarken

- Den gangen dreide det seg først og fremst om muligheten for såkalt særkvarkmaterie, sier professor Gunnar Løvhøiden ved Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.

- Bekymringen gikk ut på at særkvarkmaterien skulle ha veldig stor masse, så tyngdekraften ville bli veldig stor, og trekke på nabostoff, så man kunne forvente et ras av materie mot den, forklarer han.

- Det var et problem som ble tatt på største alvor. De fremste fysikerne interesserte seg for det, men man kom frem til at sannsynligheten for at noe slikt skulle inntreffe ikke var til stede, sier Løvhøiden.

- Tror det går bra

Både i forbindelse med RHIC og LHC har det blitt utarbeidet egne rapporter som tar for seg katastrofescenariene (se lenker nederst i artikkelen), og begge rapportene tar opp de mulige farene ved mini-sorte hull.

- Man mistenker kanskje de som gjør eksperimentene for at de setter alt på spill bare for å tilfredsstille sin nysgjerrighet. Etter diskusjonen ved Brookhaven er ikke dette noe man vil ta med harelabb - man har et ansvar, sier Løvhøiden, og legger til:

- Det er ikke så mange som forstår de mest avanserte og kompliserte teorier. Det er kun de skarpeste i verden som har studert dem og som kan uttale seg noen lunde med faglig tyngde. Det er kanskje få som kan garantere for sikkerheten.

- Dermed er det forståelig at folk kan bekymre seg.

- Personlig tror jeg at det går bra, sier han.

- Ingen risiko

Ifølge sikkerhetsrapportene og Cerns egne nettsider er det i realiteten ingen risiko knyttet til ørsmå kunstige sorte hull, av den typen fysikerne håper å se i partikkelakseleratoren LHC.

"Dette er tunnelen hvor partikler skal akselereres til tilnærmet lyshastighet før de kolliderer med hverandre, og muligens produsere sorte hull. Kollisjonene kan også skape mange andre fenomener."
"Dette er tunnelen hvor partikler skal akselereres til tilnærmet lyshastighet før de kolliderer med hverandre, og muligens produsere sorte hull. Kollisjonene kan også skape mange andre fenomener."

De sorte hullene som kanskje kan produseres her vil være helt ekstremt små - alt for små til å sluke sine omgivelser.

Et sort hull er som nevnt et objekt med et gravitasjonsfelt som er så sterkt at det ikke slipper ut verken masse eller stråling - inkludert synlig lys.

Siden ikke en gang lyset slipper ut herfra, er det ikke mulig å se innsiden av et sort hull. Det er som navnet sier - ugjennomtrengelig sort, avgrenset av en såkalt hendelseshorisont (event horizon).

Masse eller stråling som kommer innenfor denne horisonten “slukes” av det sorte hullet, men hva som foregår på innsiden vet vi egentlig ikke.

Liten hendelseshorisont

- For et mini-sort hull er hendelseshorisonten veldig liten. Det skal ikke mye til før man er langt borte fra et sånt lite sort hull. Det blir ikke farlig, fordi tyngdekraften avtar så raskt, sier Øyvind Grøn, professor i fysikk ved Høgskolen i Oslo og ved Universitetet i Oslo.

"Den internasjonale romstasjonen (ISS) faller ikke ned."
"Den internasjonale romstasjonen (ISS) faller ikke ned."

Gravitasjon er en tiltrekningskraft som virker mellom alle partikler med masse i universet. Gravitasjonsfeltet utenfor det sorte hullets hendelseshorisont er identisk med et hvilket som helst annet rundt objekt med samme masse.

Den populære oppfatningen av sorte hull som et sluk som trekker til seg alt som ligger rundt, er feil.

Et objekt kan gå i en fredelig bane kloss inntil det sorte hullets hendelseshorisont, og aldri falle inn. Kommer det noe og dytter på banen, kan objektet imidlertid gå en ukjent skjebne i møte.

Store og små

Som sagt kommer de sorte hullene i alle størrelser. Ett av de største vi kjenner til, er plassert midt i M87, en kjempestor galakse plassert i stjernebildet Jomfruen.

Dette gigantiske sorte hullet ser ut til å være rundt tre milliarder ganger Solens masse, med en diameter på rundt 18 milliarder kilometer - nesten dobbelt så stor diameter som banen til Pluto, den fjerne dvergplaneten ytterst i vårt eget solsystem.

Grøn forklarer at et sort hull med Solens masse vil ha en hendelseshorisont med en radius på tre kilometer. Et sort hull med Jordens masse vil ha en hendelseshorisont med radius på rundt to centimeter.

Dersom vi kollapset Mt. Everest til et sort hull, ville radiusen være et par hundre tusendels nanometer - altså så lite at det er umulig å forestille seg (én nanometer er 10-9 meter).

"Dersom all massen i Mt. Everest ble presset sammen til et sort hull, ville det ha en ekstremt liten hendelseshorisont med radius på rundt én nanometer."
"Dersom all massen i Mt. Everest ble presset sammen til et sort hull, ville det ha en ekstremt liten hendelseshorisont med radius på rundt én nanometer."

Man regner med at de sorte hullene som eventuelt oppstår i LHC kommer til å være enda mye, mye mindre - rundt 10-19 eller 0,0000000000000000001 meter.

- Er det stort nok til å sluke noe som helst?

- Det kan vel tenkes at det kan sluke noen elementærpartikler, sier Grøn.

Fordamper

I tillegg vil de små sorte hullene forsvinne nærmest øyeblikkelig etter at de oppstår.

Den kjente fysikeren Stephen Hawking oppdaget i 1974 at sorte hull taper masse ved å slippe ut energi. Et hvilket som helst sort hull som ikke kan trekke til seg masse vil derfor krympe og forsvinne.

Jo mindre det sorte hullet er, jo raskere vil det bli borte. Det fordamper rett og slett i såkalt Hawking radiation.

De sorte hullene man håper å se i LHC, vil ikke leve lenger enn 10-26 sekunder, eller 0,00000000000000000000000001 sekunder.

- Dette er en kvantemekanisk prosess, og ikke så tilgjengelig for intuisjonen, men de sorte hullene sender ut mer stråling desto mindre de er, så de sorte hullene som oppstår i LHC vil sende ut høyenergietisk gammastråling og ha kort levetid, men vil kunne gi opphav til et lite gammaglimt i det de forsvinner, forklarer Grøn.

Kosmisk stråling

Dessuten kan vi si at LHC bare gjenskaper fenomener som finner sted overalt i naturen. Her snakker vi om det som kalles kosmisk stråling.

 

Kosmisk stråling er partikler som har blitt produsert ett eller annet sted i verdensrommet, kanskje av en supernova eller under dannelsen av et digert sort hull. Disse partiklene kan bli akselerert til energier som er mye, mye høyere enn energien til LHC-partiklene.

"Denne illustrasjonen viser kosmiske stråler som bombarderer Jorden."
"Denne illustrasjonen viser kosmiske stråler som bombarderer Jorden."

Disse superenergiske kosmiske partiklene suser rundt i hele Universet, og har bombardert Jorden siden den ble dannet for 4,5 milliarder år siden.

De kolliderer med andre partikler naturlig, så det er ikke helt usannsynlig at et bitte lite sort hull dannes over hodet ditt mens du leser denne artikkelen.

Føler du deg overveldet av faktaene, kan du skylde på at det finnes en liten mulighet for at et sort hull oppstår inne i hjernen din akkurat nå.

Så langt har ingen av disse naturlig høyenergiske kollisjonene ført til verdens undergang, så det er ingen god grunn til å tro at partikkelkollisjonene ved LHC vil gjøre det heller.

Lenker:

CERN: Are LHC collisions safe?
Fysisk institutt, Universitetet i Oslo; Hands on CERN
Hubblesite: Multimediareportasje om sorte hull
CERN-rapport: Study of potentially dangerous events during heavy-ion collisions at the LHC: report of the LHC safety study group
RHIC-rapport: Review of Speculative “Disaster Scenarios” at RHIC
BBC: Not the end of the world
Nature: End not nigh
ATLAS Exotics Working Group: BlackHoleCSCNoteWikiPage
Cern Courier: The case for mini black holes