Melkeveiens mørke hemmelighet

Et supermassivt sort hull hviler i sentrum av vår galakse. Nye bilder viser at stjerna S2 går i vill runddans, med en fart på opp til 18 millioner kilometer i timen, rundt Melkeveiens midtpunkt. Observasjonen bekrefter det sorte hullets eksistens.

Publisert

Ingen objekter har noen gang blitt observert så nær det mystiske senteret av noen galakse, og man har heller ikke observert noe annet objekt bevege seg i mer enn en ørliten del av sin galaktiske bane. 18 millioner kilometer i timen er i tillegg den suverent største hastigheten noen kjent stjerne har.

Europeiske astronomer har klart å ta bilder av stjerna S2 mens den suser rundt galaksens sentrum, og de sier dette er det første visuelle beviset på at et enormt sort hull ligger i hjertet av Melkeveien, omgitt av galaksens 300 milliarder stjerner.

Surfer et sort hull

Forskerne har funnet ut at stjerna kommer opp i en fart på 5 000 kilometer i sekundet (20 ganger så fort som Jorda går rundt Sola), og tidligere i år var den faretruende nær det sorte hullet; mindre enn 17 lystimer (litt over en milliard kilometer), som tilsvarer tre ganger avstanden fra sola til Pluto. S2 er en relativt normal stjerne med en masse som er omtrent 15 ganger så stor som Solas.



 

Astronomene vet at det finnes en utrolig stor mengde masse i senteret av vår spinnende galakse, og den mest sannsynlige forklaringen er at alt sammen er stappet inn i et sort hull som er flere millioner ganger så massivt som Sola.

Slipper ikke ut lys

Sorte hull er vanskelige å fastslå - rett og slett fordi de er sorte: Gravitasjonen er så sterk at de ikke slipper ut noe lys, og dermed synes de ikke. At et sort hull eksisterer må avledes ut fra de voldsomme virkningene det har på omgivelsene.

De to mest vanlige teknikkene er å følge bevegelsene til stjerner rundt hullet, eller å spore et karakteristisk mønster av røntgenstråler som slippes ut av materiale som varmes opp, før de enorme gravitasjonskreftene trekker det inn i hullet for alltid.

De aller fleste astronomer mener nå at det finnes et supermassivt sort hull i senteret av alle galakser i hele Universet (bortsett fra såkalte irregulære galakser), men det har likevel eksistert en gnagende tvil om at det kanskje kunne være et annet eksotisk astrofysisk fenomen som var ansvarlig for massekonsentrasjonen.

Andre eksotiske forklaringer

De alternative forklaringene inkluderte forslag om masse pakket sammen i en tett klynge av mørke, stjernelignende objekter, eller en såkalt nøytrinoball. Men massen i galaksens sentrum - som forskerne regner seg fram til ut fra S2s bane, passer ikke sammen med denne typen eksotiske objekter.

De europeiske forskerne har fulgt stjerna i to tredjedeler av banen rundt Melkeveiens sentrum (nok til å projisere hele banen) med verdens mest skarpsynte teleskoper, og utelukker nesten fullstendig at det kan være noe annet enn et sort hull.

Den eneste teoretiske muligheten som enda ikke er avvist, er at objektet i senteret av galaksen er en stjerne laget av elementærpartikler kalt bosoner, men også en slik stjerne vil til slutt kollapse og bli til et sort hull, sier forskerne.

Supermassivt

De mener det sorte hullet i midten av Mekeveien veier 2,6 pluss/minus 0,2 millioner ganger solens masse, og er bare 26 lyssekunder, eller 7,8 millioner kilometer i diameter.

Rainer Schödel ved Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) har i en tiårsperiode, sammen med kollegaer fra flere land, fulgt banen til en stjerna S2 rundt det man har regnet som Melkeveiens sentrum; den kompakte strålingskilden Sagittarius A, som sammenfaller med det supermassive sorte hullet.

Galaktisk bane på 15 år

Forskerne har brukt bakkebaserte teleskoper, og de nyeste observasjonene deres har gjort det mulig å regne ut at stjerna har en svært elliptisk bane, og at den bruker 15,2 år på å komme rundt. Dette er nesten fire år lenger enn Jupiter bruker på sin bane rundt Sola. Til sammenligning tar det 230 millioner år før Sola har sirklet rundt i Melkeveien.

Bildene som er tatt av galaksens sentrum portretterer i briljant detalj tusenvis av individuelle stjerner innenfor den sentrale og ett lysår brede regionen - rundt en fjerdedel av avstanden herfra til Proxima Centauri; stjerna som ligger nærmest solsystemet

Melkeveiens sorte hull ligger i Skytten

Sagittarius A ligger 26 000 lysår fra Jorden, i det sørlige stjernebildet Sagittarius, eller Skytten. Det sorte hullet har en diameter på 7,8 millioner kilometer, men objekter som kommer nærmere enn 23 millioner kilometer er dømt til å forsvinne inn.

Galaksens sentrum slipper ut intens radiostråling. Forskerne tenker seg at disse radiobølgene blir produsert når masse som omgir det antatte sorte hullet blir sugd inn. Det er også er registrert røntgenstråler fra den samme kilden. Dette er noe man ville forvente når masse som faller inn i det sorte hullet varmes opp.

Stabil bane

Schödel og kollegaene mener S2s elliptiske bane passer perfekt til det man har forutsett dersom stjerna går rundt et lite sentralt objekt med omtrent 2,5 millioner ganger så stor masse som Sola.

Tidligere observasjoner av stjerner nært inntil Sagittarius A, har indikert at det finnes et slikt objekt her. Men man har aldri observert en stjerne komme så nært det sorte hullet som S2.

Tross i at stjerna nesten sneier det mystiske hullet, mener forskerne at den har en relativt stabil bane - i alle fall inntil en eller annen kollisjon eller gravitasjonsmøte med et annet objekt i rommet kaster den ut av kurs.

Hendelseshorisonten

Å slå definitivt fast at det er snakk om et sort hull vil være vanskelig, mener enkelte kritikere. For å gjøre det må man nemlig observere hva som skjer i hendelseshorisonten.

Hendelseshorisonten, eller “event horizon” er en teoretisk sfære som omgir et sort hull. Objekter som forviller seg innenfor denne sfæren forsvinner inn, og kommer aldri ut igjen.

I fjor observerte man, ved hjelp av romteleskopet Hubble, at materie forsvant da den falt innenfor hendelseshorisonten til et av de første sorte hullene som er oppdaget; Cygnus XR-1 (6 000 lysår fra Jorden i stjernebildet Svanen). Les mer om dette her.

Dødelig tiltrekning

- En gang i blant kan hele stjerner komme for nære det supertunge sorte hullet i Melkeveiens kjerne. Enorme energimengder blir frigjort når stjerna rives i filler, virvler rundt hullet og suges inn. Noe gass blir skutt ut som voldsomme gasstråler. Fenomenet er så energirikt at det kan sees på mange milliarder lysårs avstand - det kalles da en kvasar. For tiden sultefores Melkeveiens sorte hull, sier stipendiat Knut Jørgen Røed Ødegaard ved Astrofysisk institutt, Universitetet i Oslo.

Stjerna S2 har en bane som går svært nær Melkeveiens sorte hull, men ikke nærmere enn en radius som er 2 100 ganger større enn det som er kalkulert for hendelseshorisonten. Stjerna må komme 70 ganger nærmere det sorte hullet før den blir ødelagt av gravitasjonskreftene.

- S2 vil forsvinne inn til slutt, men det kan ta lang tid - kanskje mange millioner år, sier Røed Ødegaard.

Stjerner i lysets hastighet?

Gravitasjonskreftene i det sorte hullet har bare en halv prosent av ansvaret for at galaksene henger sammen - galaksen ville gått rundt nesten akkurat på samme måten uten et sort hull. Når man derimot nærmer seg midten, snurrer objektene fortere og fortere, og dette skyldes de voldsomme kreftene fra det sorte hullet i galaksens sentrum. Stjerner som ligger nærmere enn noen hundre lysår fra hullet blir ganske sterkt påvirket, og går fortere i sine baner.

 

- Den høye farten er med på å holde banen stabil. Hadde ikke farten økt, ville stjernene ramlet rett inn i det sorte hullet. Men ifølge Einsteins relativitetsteori kan ingenting bevege seg raskere enn lyset (ca 300 000 km i sekundet). Man tror stjernene nærmer seg denne hastigheten ved overflaten av et sort hull, sier Røed Ødegaard.

Utenfor fysikkens lover

De sorte hullene representerer en slags unntakstilstand for fysikken, eller en singularitet i relativitetsteorien, som man sier på forskerfint. En vanlig oppfatning er at massen i et sort hull ligger i et slags nullpunkt med uendelig tetthet, hvor fysikken bryter sammen.

- Dersom man laget et sort hull av en hel galakse ville dette punktet kanskje komme på størrelse med et atom. Det sorte hullet ville selvfølgelig være mye større, på grunn av de sterke gravitasjonskreftene, forklarer Røed Ødegaard.

Problemet er at vi ikke kan se hva som skjer med objektene som forsvinner bak hendelseshorisonten.

Galakser + sorte hull = sant

Forskerne vil nå studere bevegelsene til enda mer utydelige stjerner nær Sagittarius A, og vil for første gang undersøke de forskjellige effektene som ble forutsett av den generelle relativitetsteorien.

Nye teknikker som adaptiv optikk, som korrigerer for forvrengningen forårsaket av atmosfæren, gjør det mulig å finne ut hvordan masse blir snurpet inn i et svart hull. 

Med tiden vil kanskje de nye oppdagelsene kaste lys over det generelle forholdet mellom sorte hull og galakser. Når og hvordan ble de supermassive sorte hullene dannet, og hvorfor virker det som alle massive galakser har et sort hull? Dannelsen av sentrale sorte hull og danningen av vertsgalaksene synes i økende grad å være ett og samme problem.

- Dette er helt ekstremt flotte observasjoner. Jeg hadde ikke forestilt meg at man skulle klare å oppdage en stjerne så nær det sorte hullet. Vi har sett så mye morsomt de siste årene som bekrefter Einsteins teorier, sier Røed Ødegaard

Forskerne ved Max-Planck Institute har publisert sine funn i artikkelen “Seeing a Star Orbit around the Supermassive Black Hole at the centre of the Milky Way”, i journalen Nature, 17 Oktober 2002.

Lenker:

Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics
European Southern Observatory
Pressemelding fra ESO
 

Ingressillustrasjon: NASA