Svar:
För att kunna förstå vad ett svart hål är så måste man kunna något om den allmänna relativitetsteorin. Denna teori behandlar gravitationen. Enligt Newton så
påverkar t ex solen jorden med en kraft som gör att dess bana kröks. I Einsteins teori däremot så blir själva rummet krökt på grund av gravitationen och
jorden rör sig "lokalt rakt fram" på denna krökta yta. Tänk på en myra som kryper, På en plan yta kryper den hela tiden rakt fram. Kryper den nära skaftet
på ett äpple så kan den krypa i en cirkel trots att den hela tiden är dum nog att tro att den kryper rakt fram.

Alltså: Stora massor gör att rummet kröks.

Ett svart hål är ett ställe där rummets krökning är oändligt stort. Detta kan bara ske i en punkt. Man kan enklast säga att i denna punkt existerar inte tid och
rum längre. I mitten av ett svart hål finns en singularitet, dvs en punkt i rum-tiden där dess krökningsradie är oändligt stor. Allt som kommer i närheten av
denna punkt måste röra sig in i och "uppslukas" av punkten. Det svarta hålet omger sig av en tänkt, sfärisk yta, "händelsehorisonten" som är sådan att allt som
kommer innanför denna yta måste försvinna in i hålet.

Man kan jämföra det svarta hålet med en mycket effektiv dammsugare som suger i sig allt som kommer i närheten.

Ett svart hål uppstår då en tillräckligt stor stjärna kollapsar under sin egen tyngd. Det finns också teorier om ursprungliga svarta hål som skulle ha skapats
redan vid Big-Bang. Det är mycket osäkert om det finns sådana.

Se även Black Holes - Portals into the Unknown.

Läs: I den trevliga boken "Tid utan ände" av Coveney och Highfield finns en beskrivning av svarta hål.
1999-07-04

Svar:
Man väger ett svart hål genom att mäta hur dess gravitation påverkar
omgivningen. Svarta hål som bildats av stjärnor väger vanligen 5-10
solmassor. Det svarta hål som finns i vintergatans centrum väger
3 miljoner solmassor. Ett av de största svarta hål man känner till ligger i den
elliptiska galaxen
M87. Bilden nedan (från Hubble Space Telescope) visar de centrala delarna av M87 med det svarta hålet och en stråle (JET) som kommer ut längs rotationsaxeln. Det svarta hålet väger 3000 miljoner solmassor. Se vidare Active Galaxy M87 Jet och nedanstående svar.

/KS/lpe 2003-12-26

Svar:
Nobelpris i fysik 2020

I vintergatans centrum finns ett svart hål (Sagitarius A) som väger 2.6 miljoner solmassor (numera uppdaterat till c:a 4 miljoner solmassor). Man har vägt det genom att mäta hur stjärnorna "dansar" runt det. Bilden nedan visar rörelsen hos några stjärnor nära det svarta hålet. Med hjälp av Keplers tredje lag (se fråga [12644]) kan man bestämma massan.

För närvarande tycks det inte växa beroende på att det finns lite material som kan fångas in av hålet. Jorden kommer aldrig i närheten av det hålet. Dessutom känner man flera andra svarta hål, som tidigare var tunga stjärnor.

Det finns nyare mycket övertygande data om det svarta hålet i länk 1. Länk 2 innehåller information om 2020 års nobelpris i fysik.

Se även fråga [20335] och Supermassive_black_hole.

/KS/lpe 2003-12-17

Svar:
Varken fotoner eller gravitoner kan ta sig ur ett svart hål. Däremot
påverkar ju det svarta hålet rummet omkring genom gravitationen.
Rumstiden blir krökt. Man kan säga att det krökta rummet kommunicerar
genom energikvanta som kallas gravitoner. Dessa kommer inte från det svarta
hålet. Dessa resonemang är helt teoretiska. Någon graviton har inte
påvisats.

En annan aspekt på problemet är att krafter som gravitation eller elektromagnetisk växelverkan förmedlas av virtuella kraftförmedlingspartiklar. Dessa hindras inte av händelsehorisonten för ett svart hål. Det är emellertid svårt att förstå bland annat eftersom vi ännu inte har en bra teori för kvantgravitation. Se vidare länk 1.
/KS/lpe 2000-11-01

Svar:
Hej Ugglum! Ni har helt rätt i er invändning!

En kvasar är en extremt ljusstark och avlägsen aktiv galaxkärna. Den överglänser sin värdgalax så mycket, att denna inte tidigare har kunnat observeras. Först med hjälp av CCD-teknik och senare adaptiv optik har många värdgalaxer kunnat påvisas.

Den relativt accepterade teorin är att kvasarer drivs av ett svart hål. De flesta galaxer tycks ha ett svart hål i centrum (se fråga [6228]). Normalt märks det knappast om rymden omkring hålet är tom.

Om det däremot finns en massa gas och stjärnor, så kommer materialet att dras ner i det svarta hålet. Medan materien accelererar ner i hålet kommer den att kollidera och förvandla rörelseenergi till värme och därmed strålning.

Teoretiskt kan maximalt 50% av totala viloenergin mc² förvandlas till energi pÃ¥ detta sättet. I fusion av väte till helium förvandlas mindre än 1% av vilomassan till energi. Det är därför svarta hÃ¥l är en sÃ¥ bra förklaring till de enorma energimängder som strÃ¥las ut frÃ¥n kvasarer.

Nedanstående bild från länk 1 visar en kvasar och dess tillhörande galax:

"This image shows quasar PG 0052+251, which is 1.4 thousand million light-years from Earth, at the core of a normal spiral galaxy. Astronomers are surprised to find host galaxies, such as this one, that appear undisturbed by the strong quasar radiation. Quasars reside in a variety of galaxies, from normal to highly disturbed. When seen through ground-based telescopes, these compact, enigmatic light sources resemble stars, yet they are thousand of millions of light-years away and several hundred thousand million times brighter than normal stars. Astronomers believe that a quasar turns on when a massive black hole at the nucleus of a galaxy feeds on gas and stars. As the matter falls into the black hole, intense radiation is emitted. Eventually, the black hole will stop emitting radiation once it consumes all nearby matter. Then it needs debris from a collision of galaxies or another process to provide more fuel.

Credit: John Bahcall (Institute for Advanced Study, Princeton) Mike Disney (University of Wales) and NASA/ESA"

/Peter E 2005-03-30

Svar:
Energin kommer från bindningenergin. En massa som faller ner i ett svart hål binds av gravitationsfältet på samma sätt som en elektron binds i en atom. Elektronen skickar ut ljus när den övergår till lägre tillstånd. Det kan även infallande materia i ett svart hål göra genom kollisioner och uppvärmning, men en massa som rör sig snabbt kan även sända ut gravitationsvågor.

Den energi som sänds ut som elektromagnetisk strålning eller gravitationsvågor är förlorad, så massan av det kompakta objektet minskar med detta belopp. Låt oss titta lite närmare på energiförhållandena.

Klassiskt (Newton) är flykthastigheten från en massa M med radien R är lika med ljushastigheten c när

R = R_S = 2GM/c²

(flykthastigheten är v = (2GM/r)^1/2, se fråga [3782]).
Gravitationell bindningsenergi för en massa m vid ytan (kallas händelsehorisonten eller Schwarzschild-radien) av ett svart hål blir då

GMm/R_S = mc²/2

vilket är exakt halva vilomassan mc². Om man i stället använder den allmänna relativitetsteorin (vilket vi självklart mÃ¥ste göra) blir uttrycket för händelsehorisonten oförändrad men den gravitationella bindningsenergin blir lika med vilomassan mc².

Hur skall vi tolka detta? Om vi lÃ¥ter en massa m falla ner i ett svart hÃ¥l kan vi frigöra maximalt energin mc²/2. Resten kommer att försvinna som rödförskjutning. Ett svart hÃ¥l är alltsÃ¥ en mycket effektiv energikälla - fusion frigör t.ex. bara nÃ¥gon procent av vilomassan. Detta är orsaken till att man tror att de mest energetiska objekten vi känner till, t.ex. kvasarer, är svarta hÃ¥l. Om energin frigöres när massan är vid händelsehorisonten blir rödskiftet oändligt, och ingen energi slipper ut. Om vi emellertid lÃ¥ter energin strÃ¥la ut när massan är pÃ¥ väg ner, sÃ¥ kan en del av energin slippa ut - maximalt mc²/2.

Länk 1 innehåller information från en expert på området. Länk 2 är en användbar formelsamling för svarta hål. Se även Black_hole och Supermassive_black_hole.
/Peter E 2005-12-16

Svar:
Hej Thomas! Artikeln du refererar till finns under länk 1. Den är lite för vag för att man skall kunna säga något om fenomenet. Bara det att det skulle inträffa en gång på 10000 år. Per galax? I det synliga universum?

Länk 2 är en lite fylligare artikel.

Du har rätt i att är fel att det svarta hålet finns i utkanten av en galax. Det ligger i centrum av en galax som alla hittills upptäckta supertunga svarta hål gör.

Nej, supertunga svarta hål är nog inte den saknade mörka materien. Den totala massan är inte alls tillräcklig. Möjligen skulle mindre svarta hål som vi inte observerat kunna vara den saknade massan.

Nedanstående bild (från NASA, länk 2) visar galaxen före händelsen (till vänster) och efter (till höger). De översta två bilderna är i ultraviolett (hög energi) och de nedre i synligt ljus/infrarött (låg energi). Man har även undersökt spektra av händelsen, och funnit helium men inget väte. Detta tolkar man så att det är kärnan av en röd jättestjärna som slukats av det svarta hålet. Den vidsträckta atmosfären hos den röda jätten (som innehåller väte) skulle i så fall ha sugits bort vid en tidigare passage.

Det finns flera sätt att "se" svarta hål, alla naturligtvis indirekta.

1 Att följa stjärnors rörelse, som man gjort i vintergatans centrum, och dra slutsatsen att det finns något massivt som är osynligt som bestämmer rörelsen.

2 Genom gravitationslinsning. Gravitationen från ett svart hål verkar fokuserande på strålning på samma sätt som en positiv lins.

3 Att observera intensiv strålning med hög energi från ett mycket kompakt objekt. Det kan vara materia som kommit nära ett svart hål. Genom kollisioner bromsas materian upp och sänder ut strålning tills materian passerat det svarta hålets händelsehorisont.

/Peter E 2012-05-03

Svar:
Det enkla svaret är att partiklarna som utgör strålen (relativistic jet) inte har passerat händelsehorisonten.

Kompakta tunga objekt (svarta hål och i viss mån även neutronstjärnor) samlar genom sin starka gravitation på sig materia från omgivningen. I nedanstående teckning (från Wikimedia Commons) har vi en stjärna nära ett svart hål. Eftersom stjärnan och det svarta hålet rör sig i banor kring sin gemensamma tyngdpunkt, så har stjärnmaterien som dras in av det svarta hålet ett rörelsemängdsmoment som måste bevaras.

Detta sker genom att det bildas en insamlingsskiva (accretion disk) runt det svarta hålet. Ju närmare det svarta hålet materian i skivan befinner sig, desto snabbare roterar skivan. Partiklarna i skivan kolliderar, vilket gör att skivan värms upp. Till sist blir skivan så het att den strålar ut ljus eller röntgenstrålning.

Det vi kan observera från ett svart hål är effekterna av den starka gravitationen. Den strålande insamlingsskivan är en av de saker vi kan observera.

Många svarta hål har även en eller två s.k. jets som består av mycket snabba laddade partiklar (atomkärnor och elektroner). Dessa är riktade i "polernas" riktning, d.v.s. vinkelrätt mot insamlingsskivan. Det man ser är ljus eller röntgenstrålning som uppkommer när de laddade partiklarna kolliderar med interstellära gasmoln.

Exakt hur strålarna uppkommer vet man inte men man tror att uppsnurrade magnetfält i infångningsskivan kollimerar (koncentrerar) födet av laddade partiklar till skivans rotationsaxel, se vidare Relativistic_jetsRelativistic_jet.

Svart_hål är en bra och trevlig artikel om svarta hål.

/Peter E 2012-11-08

Svar:
Hawkingstrålning är en mycket svag strålning som Stephen Hawking hypotetiserat (ej bevisat) att svarta hål avger. Mekanismen utgörs av de partikel-antipartikel-par som kontinuerligt uppstår och försvinner i tomma rymden enligt kvantfysiken (se vakuumfluktuationer i fråga [11001]). I normala fall förintas alltid dessa par omedelbart efter bildandet. Dock, om paret bildas precis på randen till det svarta hålet, vid händelsehorisonten, kan det hända att antipartikeln (eller partikeln) försvinner in i hålet, samtidigt som partikeln (antipartikeln) lyckas ta sig loss. (Hawkingstrålning)

Jag antar att vad du menar är varför partiklar men inte fotoner kan tunnla ut från ett svart hål.

Det finns ingen allmän teori som omfattar elektromagnetism (QED) och gravitation. Skillnaden mellan en partikel och en foton är att partikeln har vilomassa medan fotonen inte har det. En foton som försöker ta sig ut ur ett svart hål kommer att dopplerförskjutas mot längre våglängder så att den vid det svarta hålets händelsehorisont har oändlig våglängd, dvs energin noll. Det betyder att den inte längre existerar. Partikeln har emellertid åtminstone sin vilomassa, varför små svarta hål kan förlora energi genom hawkingstrålning, dvs genom att partiklar tunnlar genom gravitationsbarriären.

Se även spekulationer (inte nödvändigtvis korrekta) under länk 1 och Photon_sphere.
/Peter E 2013-10-07

Svar:
Nobelpris i fysik 2017

Gravitationsvågor (både den populära och den avancerade artikeln är utomordentligt välskrivnen)

Rainer Weiss, Barry C. Barish, Kip S. Thorne

"för avgörande bidrag till LIGO-detektorn och observationen av gravitationsvågor"

Gravitationsvågor är inom fysiken krusningar i krökningen av rumtiden som propagerar som vågor som rör sig ut från källan. Fenomenet förutspåddes 1916 av Albert Einstein baserad på hans allmänna relativitetsteori, som säger att gravitationsvågor transporterar energi som gravitationsstrålning.

Data och analys ser mycket övertygande ut. En oberoende observation krävs nog för nobelpris, men med det är det ett kassaskåpssäkert nobelpris. Vilka av c:a 1000 författare som får det är en svårare fråga. Knappast Abbot som står först på bästa bokstavsordning.

Det finns flera skäl till att detta är en mycket viktig upptäckt:

Ännu ett bevis för att den allmänna relativitetsteorin är korrekt - exakt 100 år efter Einsteins publikation

Öppnar ett nytt fönster för observationer av universum

Det hittills mest direkta beviset för att svarta hål med en massa av storleksordningen tiotals solmassor existerar

Ger information om den senare utvecklingen hos massiva stjärnor

Gravitationsvågor har observerats i två detektorsystem: Hanford i Washington State (H1) och Livingstone i Louisiana (L1). Avståndet mellan dessa är c:a 3000 km, så den maximala skillnaden i ankomstid till detektorerna är 10 ms.

Fördelen med flera detektorer långt ifrån varandra är dels att man kan eliminera lokala störningar och dels att man kan lokalisera källan. Med fler detektorsystem (som är på gång) kan man lokalisera källan mer exakt. Man kan då leta efter signaler i t.ex. röntgen, gamma eller det synliga området av det elektromagnetiska spektrum.

Detektorerna består av en laser-interferometer med 4 km långa ben i 90 graders vinkel mot varandra. Idén är att gravitationsvågona påverkar benen olika vilket detekteras genom interferens vid startpunkten.

Händelsen med det lite fantasilösa namnet GW150914 (gravitational wave 14/9 2015) tolkas som en sammansslagning mellan två svarta hål. Detta är nog den mest våldsamma händelse vi kan observera i universum. Energin i gravitationsvågorna är 3 solmassor dvs

E = mc² = 210³⁰(310⁸)² = 1.810⁴⁷ J

Detta var en av de händelser man hoppades kunna detektera, men man vet fortfarande inte hur vanliga dessa sammanslagningar mellan svarta hål är. Som hjälp i sökandet använder man simuleringar med den allmänna relativitetsteorin av svarta hål av olika storlek som slås ihop. Signalen man väntar sig visas näst längst ner i nedanstående bild. När hålen kommer nära varandra kommer de att sända ut mycket energi bland annat i form av gravitationsstrålning. De kommer då att spinna snabbare och snabbare runt varandra. Frekvensen ökar och amplituden ökar tills händelsehorisonterna överlappar och de båda svarta hålen blir ett. Hela processen tar c:a 0.2 sekunder.

Övre bilden visar data från GW150914. Den röda kurvan (från H1) har förskjutits 7 ms och inverterats. Man ser att det är en imponerande överensstämmelse med kurvan från L1-detektorn. Överensstämmelsen med de teoretiska beräkningarna är också mycket god. Man har även bestämt massorna av de två svarta hålen till 36 och 29 solmassor. Det resulterande svarta hålets massa bestämdes till 62 solmassor. De resterande 3 solmassorna blev alltså gravitationsstrålningen som observerades.

För att man skall vara säker på att de som analyserar data gör ett bra jobb lägger man in testdata i smyg:

"In the past, a few senior members of the LIGO team have tested the group's ability to validate a potential discovery by secretly inserting ‘blind injections’ of fake gravitational waves into the data stream to test whether the research team can differentiate between real and fake signals. But the September detection happened before blind injections were being made, so it is thought to be a signal from a real astrophysical phenomenon in the Universe."

Den officiella annonseringen av upptäckten finns i länk 2. Se fråga [19870] för mer om kolliderande svarta hål. Se även Gravitational_wave och Gravitational_wave_observation.


Bilder från föredrag av Chris Van Den Broeck: The direct detection of gravitational waves:
The first discovery, and what the future might bring

http://indico.lucas.lu.se/getFile.py/access?resId=0&materialId=slides&confId=333

Tillägg 16 okt. 2017

"The merging of two neutron stars was detected by gravitational waves and then by telescopes in all parts of the electromagnetic spectrum."

/Peter E 2016-02-12