__MAIN_TEXT__
feature-image

Page 1

En engageret og letforståelig introduktion til universet, skrevet med de fysisk-astronomiske briller på. Forfatterne Helle og Henrik Stub fortæller om stjerner og planeter; galakser og kvasarer; stjernefødsel og stjernedød; de fysiske love og spekulationerne, også sat ind i et historisk perspektiv. Desuden beskrives astronomernes målemetoder. Nye opdagelser og teorier om universets opståen til dets endeligt er beskrevet levende og medrivende. De mere videnskabelige og tungere emner er gjort letforståelige.

Det levende univers

Det levende univers

Det levende univers Helle og Henrik Stub

4. udgave

Bogens niveau passer til de gymnasiale uddannelser og Folkeuniversitetet, men kan læses af enhver, der interesserer sig for emnet. Helle og Henrik Stub er begge formidlere af astronomi og rumfart og har skrevet en lang række bøger om emnet. De har i mange år skrevet artikler til Illustreret Videnskab, og skriver nu om astronomi og rumfart på Videnskab.dk. Helle og Henrik Stub modtog i 2008 Tycho Brahe Guldmedaljen og i 2014 European Science Writers Award. I forlagets webshop findes opgaver og ekstramateriale til bogen. ISBN 978-87-571-3439-1

9 788757 134391

praxis.dk

varenr. 101067-1

Praxis – Nyt Teknisk Forlag


DET LEVENDE UNIVERS

6

1. UNIVERSET OPDAGES


Det levende univers Helle og Henrik Stub

4. udgave

Praxis – Nyt Teknisk Forlag


Det levende univers Af Henrik og Helle Stub © Praxis - Nyt Teknisk Forlag 2020 4. udgave, 1. oplag 2020 1. udgave 2010 ISBN: 978-87-571-3439-1 Varenummer: 204010-1 Forlagsredaktion, 4. udgave: Naya Sophie Rye Jørgensen Forlagskontakt: Thomas Rump, tr@praxis.dk Grafisk tilrettelæggelse og dtp: Stig Bing, Grapida, dtp, 4. udgave Sangill Grafisk Omslag: Sangill Grafisk Sat med ITC Legacy Trykt på: 115 g Silk Tryk: PNB Print Fotos: Se liste side 347 Tegninger: Anders Prior Bjerre-Olsen, Stig Bing og Uffe Christiansen Omslagsfotos: Forside: NASA, ESA & Hubble. Bagside: EHT Collaboration Forsidebillede: De to galakser på forsiden hedder tilsammen Arp 273, og de befinder sig 300 millioner lysår borte i stjernebilledet Andromeda. Der er ingen tvivl om, at de to galakser engang har passeret gennem hinanden. Man kan ikke tale om galaksesammenstød, fordi stjernerne i en galakse er så langt fra hinanden, at kun meget få støder sammen. Men de store gasskyer kan støde sammen og give anledning til en heftig dannelse af nye stjerner. Det er de varme og blå stjerner vi kan se i begge galakser. En mere varig konsekvens af mødet er, at begge galakser er blevet deformeret – meget tydeligt at se på spiralarmene i den store galakse. Bagsidebillede: Det første billede af et sort hul er skabt ved et enestående samarbejde mellem radioobservatorier verden over. Ved at kombinere deres målinger lykkedes det at skabe et virtuelt teleskop på størrelse med hele Jorden. Det har krævet avanceret IT-teknik at skabe selve billedet, som fuldstændig passer med det man havde forventet ud fra Einsteins teorier. Det sorte hul befinder sig i centret af galaksen M87, som har en afstand på 53 millioner lysår. Selve det sorte hul og hvordan man skabte billedet er nærmere omtalt i kapitel 13.

Alle rettigheder ifølge gældende lov om ophavsret forbeholdes. Kopiering fra denne bog må kun finde sted på institutioner, der har en aftale om kopiering med Copydan Tekst & Node, og kun inden for aftalens rammer. Se mere på www.copydan.dk Praxis – Nyt Teknisk Forlag praxis.dk webshop.praxis.dk


Forord Det Levende Univers henvender sig til alle, der ønsker at vide noget om moderne astronomi. Det kan være den almene læser, der gerne vil vide lidt mere, men bogen kan også bruges som grundbog til kurser i astronomi. Her tænker vi både på gymnasiet, andre ungdomsuddannelser og på folkeuniversitetet. Grundlæggende er bogen meget beskrivende og bruger ikke megen matematik. For dem, som ønsker at gå i dybden med et emne, er der flere temaer, hvor det matematiske niveau ofte er lidt højere. Vi har forsøgt at indfange noget fra den utroligt spændende tid inden for astronomien, vi oplever i disse år – flere steder ved at lade forskerne komme til orde med deres egne forklaringer. Her har vi været godt hjulpet af den nye digitale tidsalder, som universiteter i stadig stigende grad anvender til at udsende ofte meget velskrevne pressemeddelelser på nettet. Denne bog er en 4. udgave, og på grund af astronomiens hurtige udvikling har vi til hver eneste udgave været nødt til komme med opdateringer og ændringer. I forhold til de tidligere udgaver er de vigtigste ændringer følgende: Det første billede af et sort hul har ført til et helt nyt kapitel 13, hvor vi ser nøjere både på de sorte huller, tyngdebølger og ikke mindst Einsteins almene relativitetsteori, der er central for at forstå disse begreber. Vi har forsøgt at give en ikkematematisk beskrivelse af denne meget vigtige teori. Det gamle kapitel 13 om afstandsbestemmelser udgår, fordi mange af de metoder, der er omtalt, er forældede og erstattet af målinger fra satellitter. Kapitlet om Exoplaneter er ændret betydeligt, fordi vi nu med over 4000 kendte exoplaneter er blevet i stand til at danne os et overblik over, hvilke typer exoplaneter der findes. Kapitel 8 er derfor stærkt omskrevet og udvidet. I kapitel 5 omtaler vi en ny teori for Månens dannelse, og i kapitel 7 om planeterne ser vi på opdagelsen af, at solsystemet har haft besøg fra stjernerne. Der er kommet ny viden om, hvordan de tungeste grundstoffer som Guld er blevet dannet ved sammenstød mellem neutronstjerner, og det er omtalt i kapitel 9. Kapitel 11 er udvidet med nye opdagelser om Mælkevejens centrum, hvor en såkaldt magnetar delvist skygger for udsigten til det sorte hul i selve centret. Kapitel 14 har fået et nyt tema 14.1, der ser nærmere på den nye diskussion om værdien af Hubblekonstanten. Tiderne har ændret sig meget siden dengang, hvor man kunne bruge en lærebog i astronomi i mange år uden de store ændringer. Til gengæld må man indrømme, at de nye tider i astronomien er mere spændende at være vidner til. I forlagets webshop findes opgaver m.m. til bogen.

Helle og Henrik Stub Morud, maj 2020

3


DET LEVENDE UNIVERS · Indhold

Indhold 1. UNIVERSET OPDAGES . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Vort Univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Milepæle i astronomien . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Tema 1.1: Afstande i rummet . . . . . . . . . . . . . . . 14 2. STJERNEHIMLEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Himmelkuglen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Himlens koordinater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Årets gang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solen og årstiderne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tema 2.1: Kulminationshøjder . . . . . . . . . . . . . . .

17 17 19 21 22 26

3. OM STOF OG STRÅLING . . . . . . . . . . . . . . . . . Strålingen fra rummet . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strålingslovene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dannelse af spektre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Radioområdet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tema 3.1: Dopplereffekten . . . . . . . . . . . . . . . .

29 29 30 32 35 37

4. ASTRONOMERNES VÆRKTØJ . . . . . . . . . . . . . . . Størrelsesklasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teleskoper i teorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teleskoper i praksis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interferometri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Observationer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tema 4.1: UBV fotometri . . . . . . . . . . . . . . . . . Tema 4.2: Størrelsesklasser . . . . . . . . . . . . . . . .

41 41 43 44 46 50 53 55

5. Solen og månen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solen som stjerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solens opbygning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solen og Jorden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Den store klimadebat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Månen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tema 5.1: Solens energiproduktion . . . . . . . . . . . . . Tema 5.2: Tidevandskræfter . . . . . . . . . . . . . . . .

57 57 57 59 60 63 71 73

4

6. BANER I SOLSYSTEMET . . . . . . . . . . . . . . . . . Solsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Keplers love . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tyngdeloven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tema 6.1: Hohmann-banen . . . . . . . . . . . . . . . . Tema 6.2: Gravity Assist . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tema 6.3: Lagrangepunkter . . . . . . . . . . . . . . . .

77 77 78 81 84 86 88

7. PLANETERNE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 På turistrejse gennem solsystemet . . . . . . . . . . . . . 91 Cassinis lange rejse slut . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Rosettas store kometjagt . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Besøg fra stjernerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Tema 7.1: Klimaet på Venus, Jorden og Mars . . . . . . . . 140 Tema 7.2: Planetatmosfærer . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Tema 7.3: Planeter og dværgplaneter . . . . . . . . . . . . 144 8. EXOPLANETER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 De første exoplaneter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Metoderne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Exoplaneter – en oversigt . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Teorierne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Tema 8.1: Målemetoderne . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Tema 8.2: Rejsen til Alpha Centauri . . . . . . . . . . . . . 178 9. STJERNERNES UDVIKLING . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Stjernernes liv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Supernovae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Grundstofdannelse med neutronstjerner . . . . . . . . . . 191 Pulsarer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Røntgenkilden Cygnus X-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Tema 9.1: Jordens sidste dage . . . . . . . . . . . . . . . 199 10. HERTZSPRUNG-RUSSELL DIAGRAMMET . . . . . . . . . . 203 Historien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Spektralklasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 HR-diagrammet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Fortolkningen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Anvendelsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Tema 10.1: Dobbeltstjerner . . . . . . . . . . . . . . . . 212


11. MÆLKEVEJEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Historien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Mælkevejens geografi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Stjernepopulationer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Mælkevejens indhold af gas og støv . . . . . . . . . . . . 226 Tema 11.1: Rumhastighed . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 Tema 11.2: Mælkevejens masse og det mørke stof . . . . . 229 Tema 11.3: Tidevandskræfter i Mælkevejen . . . . . . . . . 232 12. GALAKSER OG KVASARER . . . . . . . . . . . . . . . 235 Galaksetyper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Galaksehobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Universets storstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Hubbles lov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Aktive galakser og kvasarer . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Galaksedannelse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 De første galakser og reioniseringen . . . . . . . . . . . . 247 Tunge grundstoffer i unge galakser . . . . . . . . . . . . . 250 The never ending story . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Tema 12.1: Overlyshastighed . . . . . . . . . . . . . . . 254

15. LIV I UNIVERSET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 Livet på Jorden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 Liv i solsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Livets vanskelige vilkår . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Kontakt søges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Tidens udfordring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 Det levende univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 Tema 15.1: Den beboelige zone . . . . . . . . . . . . . . 320 Tema 15.2: Derfor er Jorden enestående: Pladetektonik og Månen 326 Tema 15.3: Arecibo budskabet . . . . . . . . . . . . . . . 328 Tema 15.4: Drake-ligningen . . . . . . . . . . . . . . . . 331 16. UNIVERSETS STORE HISTORIE . . . . . . . . . . . . . . 333 Universets historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Universet og anden hovedsætning . . . . . . . . . . . . . 334 Hvad er kompleksitet? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 Det levende univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 Tema 16.1: Big History – mennesket og universet . . . . . . . 340 Tema 16.2: Boltzmanns entropiformel . . . . . . . . . . . . 342 Internet-adresser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

13. EINSTEIN OG DE SORTE HULLER . . . . . . . . . . . . . Teorierne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tema 13.1: Relativitetsteorierne . . . . . . . . . . . . . . Tema 13.2: Lys og sorte huller . . . . . . . . . . . . . . .

257 257 267 272

14. UNIVERSET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Historien om Big Bang . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Den klassiske Big Bang teori . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Universets historie beskrevet af Big Bang . . . . . . . . . . 284 Universets udvidelse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Det moderne Big Bang . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 Det flade univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Universets fremtid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 Andre universer? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 Tema 14.1: Vejen til Hubblekonstanten . . . . . . . . . . . 297 Tema 14.2: Den kosmologiske rødforskydning . . . . . . . . 301 Tema 14.3: To modeller for skalafaktoren Q . . . . . . . . . 302

Tabeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Astronomiske konstanter . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Solen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Planeterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 Banedata for planeterne . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 De nærmeste stjerner . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 De klareste stjerner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 Mælkevejen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 Lysstyrker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 Hubblekonstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 Kilder til fotos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 Stikord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

5


DET LEVENDE UNIVERS · EINSTEIN OG DE SORTE HULLER

Figur 13.1. En tegners opfattelse af et sort hul. Virkeligheden er nok noget mere kompliceret. 256


Teorierne

13. EINSTEIN OG DE SORTE HULLER Teorierne Einstein (1879-1955) og hans to relativitetsteorier spiller i dag en afgørende rolle for vores forståelse af universet. Det gælder både for de sorte huller og for den nylige opdagelse af tyngdebølger. Gang på gang må forskerne erkende, at Einstein har ret – og det selv om hans teorier nu er over 100 år gamle. Således er det første billede af et sort hul en meget direkte bekræftelse af Einsteins teorier.

Første billede af et sort hul En af de største astronomiske nyheder i mange år er det første billede af et sort hul, som blev offentliggjort i april 2019. Det sorte hul befinder sig i galaksen M87 omkring 53 millioner lysår borte, og det sorte hul i galaksens centrum er med en masse på 6,5 milliarder solmasser et af de største sorte huller, man kender. M87 befinder sig nær centret af Virgo hoben, som omfatter omkring 2.000 galakser. Den er en kæmpe E0-galakse med en diameter på omkring en million lysår omgivet af ikke mindre end 12.000 kuglehobe. Til sammenligning rummer vores Mælkevej kun 150-200 kuglehobe. M87 er også en stærk radiokilde, hvilket hænger sammen med det store sorte hul i centret. Det har krævet et samarbejde mellem teleskoper i mange lande at få taget dette første billede af et sort hul. De mange teleskoper i projektet betegnes samlet som Event Horizon Telescope, ofte forkortet til EHT. EHT består af i alt otte teleskoper, som befinder sig fordelt ud over Jordens overflade lige fra Sydpolen og Chile til Arizona og Spanien, og der vil efterhånden komme flere til, deriblandt et på Grønland. Der er naturligvis en grund til, at det har været nødvendigt at bruge så mange teleskoper. De skal nemlig virke sammen som et stort teleskop, så de kan foretage målinger ved hjælp af interferometri (se side 46). Det er en meget

stor udfordring, når teleskoperne er spredt ud over hele Jorden, da man jo ikke kan forbinde teleskoperne med kabler eller lysledere. Derfor bruger man en anden teknik, nemlig at registrere meget præcist ved hjælp af atomure, hvornår man modtager signalerne fra rummet på de forskellige observatorier. Det har gjort det muligt at få de mange radioteleskoper til at virke som et stort teleskop på størrelse med Jorden. Disse data lagres så på harddiske. Der indsamles så mange data, at de ikke kan sendes via nettet. Man bruger det såkaldte ”sneakernet” der i al sin enkelhed går ud på, at man sender sine harddiske med fly til et fælles center, hvor man så kombinerer målingerne. Det kan godt tage lidt tid, for om vinteren er der ikke flyforbindelse til det observatorium, som ligger på sydpolen. For at forstå udfordringen, kan vi se på et par tal. Ud fra formlen side 190 kan vi let beregne diameteren af et sort hul med en masse på 6,5 milliarder solmasser. Resultatet bliver omkring 40 milliarder km, eller 0,0042 lysår. Da afstanden til M87 er 53 millioner lysår, kan man beregne vinkeldiameteren θ. Vinklen er så lille, at det er lettest bare at beregne den i radianer. Radianer er jo et vinkelmål defineret som længden af den bue, vinklen afskærer på en cirkel divideret med cirklens radius, altså Vinklen i radianer =

buelængden radius

Det er let at vise, at en radian = 206.265 buesekunder. Vinkeldiameteren θ målt i radianer, beregnes nu som forholdet mellem hullets diameter og afstanden, begge målt i lysår:

257


DET LEVENDE UNIVERS · EINSTEIN OG DE SORTE HULLER

Figur 13.2. Billedet af det sorte hul i M87.

θ=

0,0042 –11 = 16 mikrobuesekunder 53000000 8 10 radianer =

Det er klart, at en så lille vinkel kræver interferometri. Sætter vi i runde tal Jordens diameter til 13.000 km, så er det størrelsen på det største interferometer vi kan bygge. Man valgte at observere hullet ved en bølgelængde på 1,3 mm, fordi disse bølger kan trænge gennem de skyer af gas og støv, som omgiver det sorte hul. Bruger vi denne bølgelængde, som målt i meter er 1,3∙10-3 m, sammen med Jordens diameter på 13.000 km = 1,3∙107 m får vi fra formlen for et teleskops opløsningsevne side 43 –3

θ=

258

1,3 10 252.000 buesekunder = 25 mikrobuesekunder 1,3 10 7

Vi kan se, at de to vinkler er sammenlignelige, men at opgaven bestemt ikke er nem. Nu er det heller ikke det sorte hul man skal tage et billede af – det er jo bare sort, så der er ikke meget at se. Det man søger at fotografere, er det sorte huls skygge. Det ses jo på en baggrund af lysende materiale uden for hullet og man kan beregne, at denne skygge er større end selve hullet. Vi kan ikke her komme nøjere ind på den ret komplicerede teori for skyggedannelse, der er baseret på beregninger af, hvordan et sort hul kan afbøje lys, der kommer i nærheden af hullet. Vi nøjes med at angive resultatet, nemlig at skyggen er 2,5 gange større end hullet, hvilket betyder at det dækker en vinkel på omkring 40 mikrobuesekunder, hvilket svarer til en udstrækning på omkring 0,01 lysår. Resultatet er blevet det ret fantastiske billede, som fuldt ud passer med beregningerne, hvilket er en meget stor triumf for Einsteins almene relativitetsteori. Billedet er ikke helt symmetrisk, da der i den ene side er nogle lyse felter. De skyldes hullets rotation. Vi får mere stråling fra den side, som bevæger sig mod os, end fra den side, der bevæger sig bort fra os. Samtidig viser målingerne, at rotationsaksen for det sorte hul ikke peger direkte mod Jorden, men danner en vinkel på 17 grader i forhold til retningen mod Jorden. Langs rotationsaksen er der en jet af meget energirige partikler, som er indfanget af et stærkt magnetfelt omkring hullet. Jetten har en længde på mange tusinde lysår, og det er bestemt ikke sundt at bevæge sig ind i jetten. Vi er beskyttet dels af den meget store afstand, og dels af, at jetten netop ikke peger mod Jorden. For at få en ide om, hvad en opløsningsevne på 16 mikrobuesekunder betyder, kunne man jo regne ud, hvor små ting man kan se her fra Jorden på Månen med denne opløsningsevne. Vi er nede på at kunne skelne sten af centimeter størrelse. Belønningen Et så stort gennembrud som at tage et billede af et sort hul fører både til berømmelse og belønning. EHT-holdet har modtaget den såkaldte Breakthrough pris på 3 millioner


Teorierne

Figur 13.3. EHT-teleskopet består af mange teleskoper spredt ud i verden.

dollar. Prisen deles mellem de 347 forskere, der deltog i projektet og gives med følgende begrundelse: “For the first image of a supermassive black hole, taken by means of an Earth-sized alliance of telescopes.” “Using eight sensitive radio telescopes strategically positioned around the world in Antarctica, Chile, Mexico, Hawaii, Arizona and Spain, a global collaboration of scientists at 60 institutions operating in 20 countries and regions captured an image of a black hole for the first time. By synchronizing each telescope using a network of atomic clocks, the team created a virtual telescope as

large as the Earth, with a resolving power never before achieved from the surface of our planet. One of their first targets was the supermassive black hole at the center of the Messier 87 galaxy – its mass equivalent to 6.5 billion suns. After painstakingly analyzing the data with novel algorithms and techniques, the team produced an image of this galactic monster, silhouetted against hot gas swirling around the black hole, that matched expectations from Einstein’s theory of gravity: a bright ring marking the point where light orbits the black hole, surrounding a dark region where light cannot escape the black hole’s gravitational pull.”

259


DET LEVENDE UNIVERS · EINSTEIN OG DE SORTE HULLER

Så gives en liste over alle navne på forskerne, hvilket understreger, hvor vigtigt det er med samarbejde i de store projekter. Den tid er ved at være forbi, hvor afgørende observationer kunne foretages af en enkelt astronom. Nok lige så vigtigt er det, at EHT har fået en ny bevilling på 12,7 mio dollar til at udbygge teleskopet, så det på længere sigt også kan optage videoer, der viser, hvordan gas og andet stof bevæger sig nær det sorte hul. Ikke bare vil man forbedre de enkelte antenner, men også fordoble antallet af teleskoper i EHT. Inden observationerne af det sorte hul i M87 gik i gang, havde EHT holdet stillet os i udsigt, at de også ville optage et billede af det mere nærliggende sorte hul i Mælkevejen. Denne ellers udmærkede hensigt er desværre blevet umuliggjort, fordi den tidligere omtalte magnetar (se side 219) lige nu og mange år frem desværre skygger for udsigten til Mælkvejens sorte hul.

’Sorte huller’ Alle moderne teorier for sorte huller bygger på Einsteins almene relativitetsteori, som vi omtaler nærmere i tema 13.1. Einstein fremsatte sin teori i slutningen af 1915, altså under første verdenskrig. Men allerede i januar 1916 kom den tyske fysiker og astronom Karl Schwarzschild (1873-1916) med den første eksakte løsning til Einsteins ligninger. Denne løsning beskrev den simpleste form for et sort hul, nemlig det vi i dag kalder Schwarzschild-hullet, som er et ikke roterende sort hul. Schwarzshild døde kort efter Ydre del

Begivenhedshorisont Indre del Singularitet

Figur 13.4. Tegning af et sort hul i et krummet rum.

260

Begivenhedshorisont

Ergosfæren Singularitet

Rotationsakse Figur 13.5. Tegning af roterende sort hul

i maj 1916 som følge af sygdomme, han havde pådraget sig under sin tjeneste i den tyske hær som løjtnant i artilleriet. Virkelighedens sorte huller er mere komplicerede, især fordi de roterer. I dag taler man ofte om et Kerr sort hul, opkaldt efter Roy Kerr, som er født i New Zealand 1934. Han fandt i 1963 en eksakt løsning til Einsteins ligninger for et roterende sort hul på et tidspunkt, hvor man endnu ikke med sikkerhed vidste, om der eksisterede roterende sorte huller. Vi kan ikke her gå ind i en fuldstændig beskrivelse af de sorte huller – og desuden er der stadig meget, man ikke ved. Her vil vi beskrive fem sider af et sort hul, nemlig • • • • •

Ergosfæren Fotonsfæren Begivenhedshorisonten Singulariteten Hawking stråling

Ergosfæren Ergosfæren er et område omkring det sorte hul, hvor man bliver trukket rundt om hullet, men dog med en teoretisk mulighed for at undslippe. En roterende masse kan trække rummet med rundt. Fænomenet hedder frame dragging, og det er direkte blevet målt med satellitten Gravity Probe B i 2011. Fra en bane 650 km over Jorden målte satellitten,


Teorierne

stråler meget hurtigt enten ender inde i det sorte hul eller helt undslipper. I fotonsfæren kan man se sin egen nakke: Lys, som udsendes fra nakken, tager en tur rundt om hullet og ender i øjnene. Men som man siger ”Don’t try this at home”.

Figur 13.6. NASAs Gravity Probe B (GP-B) rumfartøj, der bekræftede to centrale forudsigelser afledt af Einsteins almene relativitetsteori.

hvordan rotationsaksen for fire gyroskoper ændrede retning som følge af den frame dragging af rummet, som Jordens rotation skaber. Effekten er meget lille, og den forventede retningsændring af rotationsakserne er kun 39 millibuesekunder i løbet af et år. Målingerne passede godt med relativitetsteorien, men eksperimentet var en enorm teknisk udfordring, hvor gyroskoperne var badet i superflydende helium-3 for ikke at røre selve satellittens sider, hvilket kunne have forstyrret målingerne. Nær et roterende sort hul er frame dragging et meget mere voldsomt fænomen. Der er simpelthen et område, hvor det ikke er muligt at holde stille, fordi selve rummet populært sagt drejer rundt sammen med det sorte hul. Hvis man befinder sig i dette område, som kaldes ergosfæren, bliver man simpelthen trukket med rundt om hullet. Det er muligt at undslippe, endda med mere energi, end man ankom med, den såkaldte Penrose-proces. Energien tages fra hullets rotation, og det er en meget effektiv proces til at tappe et sort hul for sin rotationsenergi. Men som man nok kan regne ud, så er Penrose-processen udelukkende af teoretisk interesse for os her på Jorden. Fotonsfæren Fotonsfæren er et område, hvor lys kan cirkulere omkring det sorte hul. Det er en meget ustabil tilstand, da indfangede lys-

Begivenhedshorisonten Begivenhedshorisonten er defineret som grænsen for et sort hul. Er man først kommet indenfor begivenhedshorisonten, er det umuligt at komme ud igen. Begivenhedshorisonten – eller Event Horizon som den kaldes på engelsk – har en mærkelig egenskab: Hvis man er så uheldig at falde ind mod et sort hul, så når man aldrig frem til horisonten set udefra. Det skyldes, at den tid vi måler, ikke bare afhænger af farten, men også af tyngdefeltet. Som det begrundes i tema 13.1, så går tiden langsommere i et stærkt tyngdefelt end i et svagt tyngdefelt. Ser vi på et fald ind mod et sort hul, så er der ikke noget problem langt fra hullet. Både en observatør langt fra hullet, og den astronaut som falder ind mod hullet, vil måle den samme tid. Men efterhånden som astronauten nærmer sig begivenhedshorisonten, stiger uenigheden. Observatøren vil se, at astronauten falder langsommere og langsommere, fordi tiden set fra observatørens synspunkt nu går meget langsomt for astronauten. Faktisk vil astronauten set fra observatøren aldrig nå horisonten, men ende som et ”frosset billede” på horisonten. Astronauten selv vil ikke mærke nogen ændring i tidsopfattelsen. Han synes, at uret går som det altid har gået, så han vil passere horisonten på et øjeblik – men det er vist kun begyndelsen på hans problemer, som jo vil føre ham til hullets centrum, singulariteten. Singulariteten Singulariteten kommer både hos Schwarzschild og Kerr som en løsning til Einsteins almene relativitetsteori. Hos Schwarzschild er der tale om et punkt uden udstrækning, hvor hele det sorte huls masse er samlet. Det må betyde, at massefylden her er uendelig, og det tages som et ret sikkert tegn på, at her bryder relativitetsteorien sammen.

261


En engageret og letforståelig introduktion til universet, skrevet med de fysisk-astronomiske briller på. Forfatterne Helle og Henrik Stub fortæller om stjerner og planeter; galakser og kvasarer; stjernefødsel og stjernedød; de fysiske love og spekulationerne, også sat ind i et historisk perspektiv. Desuden beskrives astronomernes målemetoder. Nye opdagelser og teorier om universets opståen til dets endeligt er beskrevet levende og medrivende. De mere videnskabelige og tungere emner er gjort letforståelige.

Det levende univers

Det levende univers

Det levende univers Helle og Henrik Stub

4. udgave

Bogens niveau passer til de gymnasiale uddannelser og Folkeuniversitetet, men kan læses af enhver, der interesserer sig for emnet. Helle og Henrik Stub er begge formidlere af astronomi og rumfart og har skrevet en lang række bøger om emnet. De har i mange år skrevet artikler til Illustreret Videnskab, og skriver nu om astronomi og rumfart på Videnskab.dk. Helle og Henrik Stub modtog i 2008 Tycho Brahe Guldmedaljen og i 2014 European Science Writers Award. I forlagets webshop findes opgaver og ekstramateriale til bogen. ISBN 978-87-571-3439-1

9 788757 134391

praxis.dk

varenr. 101067-1

Praxis – Nyt Teknisk Forlag

Profile for Praxis

Det levende univers 4. udgave, 2020  

En engageret og letforståelig introduktion til universet, skrevet med de fysisk-astronomiske briller på. Forfatterne Helle og Henrik Stub f...

Det levende univers 4. udgave, 2020  

En engageret og letforståelig introduktion til universet, skrevet med de fysisk-astronomiske briller på. Forfatterne Helle og Henrik Stub f...