Et utidigt sort hul kaster lys på sorte hullers hemmelige liv

I centrum af næsten alle galakser findes et tungt sort hul. Det gælder også for vores egen galakse, Mælkevejen.

Når gas fra værtsgalaksen falder ned på de tunge sorte huller, udsendes særligt meget energi. I det tilfælde kaldes centrum af galaksen for en aktiv galaksekerne. Viden om denne proces kan være med til at give os dybere indsigt i, hvordan galakser udvikler sig og dermed indirekte i vores egne og andre eksistenser.

»Det er vigtigt at forstå aktive galaksekerner for at forstå, hvordan galakser udvikles, og hvordan stjernedannelsen udvikler sig over tid. Grundstoffer tungere end brint og helium bliver skabt inde i centrum af stjerner. Jo tungere stjernen er, desto tungere grundstoffer kan den skabe, til den når jern. Grundstoffer tungere end jern skabes når stjerner dør eller når neutronstjerner kolliderer. De tungere grundstoffer er selve byggestenene for liv,« forklarer Marianne Vestergaard, professor i astrofysik på Niels Bohr Instituttet under Københavns Universitet.

Hun står i spidsen for et projekt, som med støtte fra Danmarks Frie Forskningsfond vil forsøge at nå et langt skridt videre i at afdække processerne i de aktive galaksekerner.

Galaksens kerne udsender målbar stråling

Trædestenene til at udføre det lange skridt er den stråling, som de aktive galaksekerner udsender. Så i dette afsnit følger lidt vigtig baggrundsviden:

Strålingen stammer fra en skive af gas, som befinder sig omkring det sorte hul i galaksens midte.

De sorte hullers tyngdekraft trækker stof til sig, blandt andet gas. Når gassen kommer tæt på det sorte hul, vil det lægge sig i en roterende gasskive omkring det sorte hul.

Gassen i skiven bliver presset mere og mere sammen, jo tættere på det sorte hul det kommer. Sammenpresningen opvarmer gassen. Den indre del af gasskiven bliver så varm, at den udsender ultraviolet stråling, som breder sig ud i alle retninger.

Noget af uv-lyset bliver til røntgenstråling, når det spredes på elektroner i nærheden af det sorte hul, og noget af uv-lyset er med til at varme andet gas, lidt længere væk fra uv-kilden, som så selv lyser op.

Røntgenstrålingen, der skabes nær det sorte hul, skinner tilbage på gasskiven og de andre gaskomponenter i den aktive galaksekerne. Når et tungt sort hul fortærer gas, udsendes derfor en masse energirig stråling over et bredt område i det elektromagnetiske spektrum.

»Det er noget kaotisk, fordi vi ikke direkte kan se, hvor de forskellige gaskomponenter ligger i forhold til hinanden. Det svarer til at stå med bind for øjnene uden for et lokale med en masse mennesker, der snakker, og så skulle bestemme, hvor de er i lokalet, og hvad de hver især siger.  Det er en kæmpe udfordring, som gør, at vi faktisk ikke ved synderligt meget om, hvordan de aktive galaksekerner er skruet sammen og fungerer, « siger Marianne Vestergaard.

Forskerne får lidt hjælp ved, at gasstrømmen ned på det sorte hul ikke er konstant over tid. Det gør, at uv-lyset fra den indre gasskive varierer i styrke. Det kan forskerne bruge til at måle afstande mellem kilden, der udsender uv-lyset, og gassen, der modtager lyset.

Uv-lyset er nemlig noget tid om at rejse ud til gassen, så en kraftig stigning i den ioniserende uv-stråling kan måles som en forsinket stigning i lyset fra den fjerne gas.

Det fungerer lidt som en ekko-lokalisering eller radar. Det er stadig en svær udfordring, fordi aktive galaksekerner typisk er meget lyskraftige, og gassen pisker rundt om det sorte hul i høj hast. Derfor blandes lyset i spektret, og forskerne kan stadig ikke helt bestemme, præcis hvilke gaskomponenter der er, og hvilken stråling de hver især udsender.

Alt sammen spiller ind det nye forskningsprojekt, som skal øge vores forståelse om aktive galaksekerner og deres tilhørende tunge sorte huller.

Sorte huller kan forhindre dannelsen af nye stjerner

De sorte huller har stor magt, og de er blandt andet med til at afgøre, om stjerner kan dannes eller ej.

»Galakserne er født i det tidlige univers ud fra gasskyer, som trækker sammen og danner stjerner. Det sker også inde i centrum af galaksen, hvor det sorte hul bliver født,« forklarer Marianne Vestergaard og uddyber:

»Når gas fra gasskiven falder ned på det sorte hul, vokser det sorte hul. Samtidig udsendes kraftig stråling, som er skabt af, at det sorte hul trækker i gassen i gasskiven. Strålingen kan brede sig længere ud i galaksen, hvor den både kan varme gassen og skubbe til den. Det vil standse dannelsen af stjerner, for gas skal være kold for at kunne danne stjerner.«

Astrofysikere ved i dag, at der er en tæt sammenhæng, mellem hvor meget et sort hul vejer, og hvad dens værtsgalakse vejer.

»Men for at forstå hvordan de sorte huller i aktive galaksekerne påvirker galaksernes udvikling, er vi nødt til at forstå, hvordan de aktive galaksekerner fungerer. Lige nu er det lidt af en sort kasse,« siger Marianne Vestergaard.

Den mystiske galakse Mrk 590 forvirrede forskerne

En hovedmotivation bag det projekt, som Marianne Vestergaard kommer til at lede, er galaksen ved navn Mrk 590.

»Galaksen var i 1980’erne og 90’erne ligesom alle de andre galakser med en aktiv kerne og udsendte kraftig stråling. Pludselig forsvandt strålingen inden for fem-syv år, bortset fra meget svag røntgenstråling. Det sendte vores kæber i gulvet, for vi vidste ikke, hvad der foregik. Det lod til, at den aktive galaksekerne næsten slukkede helt. Hvis uv-kilden i gasskiven slukkes, dør den aktive galaksekerne formodentlig, fortæller Marianne Vestergaard og fortsætter:

»Det kan ske, hvis det sorte hul løber tør for brændsel. For eksempel hvis tilførslen af gas fra galaksen er ophørt, og det sorte hul efterhånden har fortæret det meste af gasskiven. Den proces kan dog kun ske over millionvis af år, ikke inden for få år. Så siden 2013 har vi med jævne mellemrum holdt øje med galaksen i røntgen- og uv-lys ved hjælp af en satellit.«.

Pludselig i 2017 vendte strålingen tilbage, lige så uventet og brat som den var forsvundet. Siden da har Marianne Vestergaard med sit hold af kolleger observeret Mrk 590 intenst med en lang række teleskoper på Jorden og i rummet.

Siden 2017 har den aktive galaksekerne haft tilbagevendende kraftige udbrud, der afløses af en mere rolig periode med et lavt niveau af emission. Hvert udbrud varer adskillige måneder. Denne opførsel er meget usædvanlig.

»Det er højst mærkværdigt, men det gør, at vi kan bruge Mrk 590 som et nyt laboratorium til at forstå, hvordan den aktive galaksekerne fungerer. Alt lyser ikke op på én gang, så det er lidt lettere at studere de enkelte gaskomponenter,« siger Marianne Vestergaard.

»I spektret af røntgenstråling kunne forskerne indtil 2008 se en kraftig komponent ved de laveste røntgenenergier, vi er i stand til at detektere. I 2008 forsvandt bumpet helt. Det formodes, at disse fotoner kommer fra den inderste del af gasskiven. Derfor holder vi nu øje med, om gasskiven bliver genoprettet, og om disse fotoner vender tilbage. Det fortæller noget om beskaffenheden af gasskiven. Vi kan dermed teste teoretiske modeller,« siger Marianne Vestergaard.

Forskningsprojektet gør brug af en række teleskoper for at holde øje med Mrk 590 og andre galakser med aktive galaksekerner. Teleskoperne tæller blandt andre Hubble-rumteleskopet, Swift, XMM-Newton, NuSTAR, Very Long Baseline Array, Las Cumbres Observatory og Very Large Telescope ved det Europæiske Sydlige Observatorium, ESO.

Der er en speciel fordel ved at benytte observationer med teleskoper fra Las Cumbres Observator. Det er et netværk af 25 teleskoper, der står syv forskellige steder på kloden. Teleskoperne er i stand til at tage spektre samt billeder ved forskellige bølgelængder. Derudover gør det verdensomspændende netværk af teleskoper, at det bliver lettere for forskerne at følge et bestemt objekt, fordi der hele tiden kan tikke data ind.

»Når det bliver dag ved ét observatorium, er det nat ved et andet, og hvis det er overskyet ét sted, er der for det meste et andet sted i netværket, hvor vejret er klart nok til at observere vores objekt, når vi har brug for det,« forklarer Marianne Vestergaard.

Den aktive galaksekerne må gerne slukke og tænde de kommende år

Forskningsprojektet, som skal forsøge at kortlægge processerne i galaksekernerne, kommer til at forløbe over tre år. Inden for det tidsrum må Mrk 590-galaksen gerne variere i aktivitet.

»Jeg håber, at rumteleskopet kan fange det sorte hul i en tilstand, hvor den aktive galaksekerne bliver `tavs’. Dernæst må den gerne få tilført noget mere gas, så kernen bliver aktiv igen. På den måde kan vi studere tidsskalaerne for, hvornår de forskellige gaskomponenter omkring det sorte hul bliver antændt. Dermed kan vi finde ud af, hvordan komponenterne ligger i forhold til hinanden. Så målet er at finde ud af, hvad der skal til for at skabe en aktiv galaksekerne. Med andre ord hvad energikravet er for, at en galaksekerne bliver tændt,« fortæller Marianne Vestergaard.

Hun håber også, at det treårige projekt kan give svar på, om alle sorte huller uanset størrelse opfører sig ens. Mon galaksernes sorte huller opfører sig præcis som små sorte huller i dobbelt-stjernesystemer. De gennemgår nemlig en cyklus, hvor de udsender radiojets i én fase af cyklussen.

Radiojets er strømme af ladede højhastighedspartikler, der udsender radiostråling. En sådan cyklus er endnu ikke observeret for tunge sorte huller. Hvis de tunge sorte huller også har en sådan cyklus, forventer Marianne Vestergaard, at vi vil se det for et objekt som galaksen Mrk 590, da den gennemgår kraftige ændringer i strålingen inden for en kort tidsperiode.  

»Endelig håber jeg, at vi kan finde svar på, hvordan aktive galaksekerner kan ændre deres udseende, det vil sige deres karakteristiske emission, så relativt hurtigt.  Nogle af de seneste teorier hælder til, at det kan skyldes ustabiliteter i gasskiven. Vi ved bare ikke hvordan,« siger Marianne Vestergaard og fortsætter:

»Jeg håber, at den store og unikke database, der strækker fra røntgen til radio, vi har opbygget i de sidste 10 år, kan hjælpe os med at finde svar på mange af de udestående spørgsmål omkring, hvordan sorte huller er med til at skabe den kraftige stråling og energiudsendelse, som kan have afgørende indflydelse på, hvordan galakser udvikler sig, specielt i de tidlige faser i Universets udvikling.«