Sort hull

Et sort hull, eller svart hull, er et område av tidrommet hvor gravitasjonen er så sterk at ingenting – ikke en gang elementærpartikler eller elektromagnetisk stråling – kan unnslippe. Yttergrensen til dette området kalles hendelseshorisonten og definerer størrelsen til det sorte hullet. Innenfor denne horisonten vil all materie og stråling bevege seg mot en singularitet hvor fysikkens lover er brutt sammen.
Teorien om generell relativitet forutser at et objekt med tilstrekkelig stor masse som kollapser (komprimeres) til en størrelse mindre enn sin egen Schwarzschild-radius, vil ha en unnslipningshastighet som er høyere enn lysets hastighet. Siden 1967 har slike objekter blitt kalt «sorte hull», ettersom ikke noe lys fra innenfor hendelseshorisonten slipper ut. 
I 1974 viste Stephen Hawking ved bruk av kvantefeltteori at et sort hull er et sort legeme. Det vil derfor avgi stråling ifølge Stefan-Boltzmanns lov med en temperatur som Hawking fant å være omvendt proporsjonal med massen til det sorte hullet. Dette gjør det vanskelig å observere denne strålingen fra sorte hull med masser av samme størrelsesorden som solen eller enda større.
Objekter med en gravitasjon så stor at ikke en gang lyset kan unnslippe, ble først overveid som en mulighet på 1700-tallet av John Michell og Pierre-Simon Laplace. De første moderne forutsigelser av et sort hull i generell relativitetsteori ble gjort av Karl Schwarzschild i 1916 som en ren teoretisk konstruksjon, selv om det gikk ytterligere fire tiår før hypotesen ble akseptert. Etter at det lenge ble betraktet som en matematisk merkverdighet, var det ikke før på 1960-tallet at teoretisk arbeid viste at sorte hull var en logisk følge av teorien om generell relativitet. Oppdagelsen av nøytronstjerner utløste interesse for kollapsede objekter med stor masse som en mulig astrofysisk virkelighet.
Siden sorte hull er veldig små i utstrekning i astronomisk sammenheng, og ikke kan observeres direkte, har påvising av disse objektene basert seg på gravitasjonseffekten de har; enten på objekter i nærheten, eller på lys som passerer nær det sorte hullet (gravitasjonslinser). Tidlig på 2000-tallet kunne astrofysikere ved hjelp av indirekte observasjoner fastslå at det befinner seg et supermassivt sort hull i Melkeveiens sentrum (Sagittarius A*) med en masse anslått til 4,6 millioner ganger solens.
Det første bildet av akkresjonsskiven omkring et sort hull ble offentliggjort i fagtidsskriftet Astrophysical Journal Letters 10. april 2019. I mars ble åtte radioteleskoper på forskjellige steder på jorden, som er knyttet sammen til Event Horizon Telescope (EHT), rettet mot senteret av Messier 87-galaksen, 55 millioner lysår fra jorden. Det sorte hullet er tre millioner ganger større enn jorden og har en masse på seks milliarder ganger solens.

Den generelle relativitetsteorien

Albert Einsteins generelle relativitetsteori i 1915 endret dette. Han hadde tidligere påvist at tyngdekraft faktisk påvirket lys. Noen måneder etter utgivelsen av relativitetsteorien utga Karl Schwarzschild løsningen på ligningen som beskrev gravitasjonsfeltet hos en punktformet masse i et for øvrig tomt rom og antydet dermed at det som vi i dag kaller for et sort hull faktisk kunne eksistere. Schwarzschild-radius betegner radien et ikke-roterende objekt må komprimeres til for at unnslipningshastigheten skal overstige lyshastigheten (og dermed skape et sort hull). Schwarzschild selv trodde ikke at sorte hull kunne manifestere seg fysisk. Noen få måneder etter Schwarzschild kunne Johannes Droste, en student av Hendrik Lorentz, uavhengig gi den samme løsningen for en punktmasse og han skrev mer utfyllende om dens proporsjoner.
Robert Oppenheimer (sammen med Solomon H. Snyder) forutså således at store stjerner kunne gjennomgå en dramatisk gravitasjonskollaps. Sorte hull kunne i prinsippet oppstå i naturen. I en periode kaltes slike legemer for frosne stjerner. De inntil videre hypotetiske sorte hullene fikk dog ingen større oppmerksomhet før sent på 1960-tallet da interessen for kollapsede objekter ble vekket på nytt av oppdagelsen av pulsarer (nøytronstjerner). Kort tid etter ble begrepet «sort hull» (black hole) første gang benyttet av den teoretiske fysikeren John Archibald Wheeler under en konferanse i 1967. Tidligere hadde uttrykket «sort stjerne» (black star) vært benyttet. Uttrykket forekommer i blant annet et tidlig avsnitt av Star Trek. I fransk og russisk oversettelse har betydningen av «sort hull» en tilleggsmening som «vakkert sammenstøt», noe som er årsaken til at begrepet «svart stjerne» til en viss grad fortsatt blir benyttet.
22. januar 2014 lanserte Stephen Hawking en teori om at hendelsehorisonten som definerer sorte hull ikke eksisterer. Han skriver i en rapport at det ikke finnes noen sorte hull på grunn av fraværet av en hendelseshorisont, og at lys og materiale som fanges av et sort hull ikke kan bli fullstendig tilintegjort. Et alternativt forslag er at kvantefysikken får rommet ved et sort hull til å oppføre seg så vilt at det ikke går an å snakke om noen hendelseshorisont. Systemer vil til slutt slippe ut igjen om de har havnet i et sort hull.
På 1970-tallet ble det lansert en alternativ hypotese som foreslo at et sort hull kan være forbundet med et såkalt hvitt hull og danne et «ormehull» i romtid. Hvite hull skulle ifølge hypotesen kunne manifestere seg som et gammaglimt, men det finnes pr. 2018 ingen observasjoner som underbygger denne hypotesen.

Rådende teorier om sorte hull

Siden hverken lys eller stråling kan unnslippe et sort hull, er det ikke mulig å observere direkte hva som befinner seg i senteret. Pr. 2018 er det ingen som med sikkerhet vet hva som finnes inne i et sort hull, og det finnes heller ingen fysiske modeller eller teorier som fullt ut forklarer disse ekstreme objektene. På overflaten til et tenkt objekt i det sorte hullets gravitasjonssenter vil lyshastigheten være overskredet, noe som gjør at den generelle relativitetsteorien ikke lenger er tilstrekkelig for å forklare hva som skjer. Et hypotetisk éndimensjonalt punkt uten utstrekning og med uendelig tetthet er en modell som brukes for å forsøke å forklare hva som skjer. Dette punktet kalles en singularitet, og det sorte hullets samlede masse befinner seg i dette punktet.
To hovedtyper sorte hull synes å eksistere. I den ene enden av størrelsesskalaen er sorte hull som er oppstått etter at en stor stjerne har kollapset. Disse sorte hullene har masse som tilsvarer tre ganger solens masse og oppover. De antas å være spredd rundt om i galaksene og universet, og er nærmest umulig å oppdage. I den andre enden av skalaen er supermassive sorte hull, som antas å finnes i sentrum av de fleste galaksene. Et supermassivt sort hull kan ha en masse tilsvarende mange millioner sol-masser. Når materiale – som gass fra en stjerne som kommer for nær – faller inn i et supermassivt sort hull, vil det genereres en ekstremt intens stråling; både synlig lys og røntgen- og gammastråling. Disse objektene kalles kvasarer, og er de mest strålingssterke objektene som er kjent.
Det er ikke funnet bevis for at såkalte «mellomstore» sorte hull eksisterer. Observasjoner gjort av romteleskopene Hubble (synlig lys), Chandra og XMM-Newton (røntgensstråler) har imidlertid styrket hypotesen om at slike mellomstore sorte hull kan finnes.