SVARTA HÅL

Nedanstående innehåll är skapat av Mimers Brunns besökare. Kommentera arbete

SVARTA HÅL







Sammanfattning
Börjar med en inledning där det står lite frågor man kan undra om svarta hål som man sedan får reda på i arbetet. Sen kommer vi till ljus där det står en del om gravitationen kring ljus efter det är det en stjärnas livscykel och där lär vi oss hur en stjärna byggs upp från början och till slut bildar ett svart hål. Svarta hål står på tur och det är mycket info om svarta hål, mest kring gravitation mm.
Gravitationsvågor och Svarta håls form handlar mycket om Einsteins relativitetsteori. Hur upptäcker man svarta hål? Jo det får du reda på när du läser just det avsnittet. Sen har vi kanske det mest intressanta i mitt egna tycke: Användning av svarta hål. Där det handlar om vad man skulle kunna använda svarta hål till i framtiden som t.ex. Att den avger så jätte jätte mycket energi, kan man använda det till någonting?
Inledning
Vad är egentligen ett svart hål? Är det så viktigt? I media har det talats
väldigt mycket om svarta hål sedan man upptäckte dessa. Svarta hål är utan
tvekan ett av de mest fascinerande och intressanta fenomen vi vet
existerar. Men ändå så vet vi så lite om dem. Hur kan vi vara säkra på att de finns? De är ju som sagt svarta, man kan ju inte se dem. Kan vi dra nytta av dem på något sätt? Detta arbetet har jag gjort själv från grunden genom att läsa lite böcker och kolla info på Internet om svarta hål. Därefter skalat av det mest ointressanta av det och omformulerat info jag haft med egna ord så gott jag kunnat. Och med lite hjälp från min bror har jag kunnat använda engelska källor.



Ljus
Uttrycket svarta hål uppfanns år 1969 av den amerikanska forskaren John
Wheeler. Det var ingen ny tanke, tanken går tillbaka minst två hundra år till
en tid då det fanns två teorier om ljuset. Den ena som Newton föredrog:
Att ljuset bestod av partiklar och den andra att det bestod av vågor.
Idag vet vi att båda stämmer tack vare kvantmekaniken. Ljus kan betraktas
både som en våg och som en partikel. Om ljuset bestod av vågor visste man
inte hur, eller om, det påverkades av gravitationen. Men om det bestod av
partiklar skulle det påverkas lika mycket av gravitationen som all annan
materia. Man trodde att ljuset färdades oändligt snabbt och att det var
därför som ljuset inte påverkades, men detta höll inte då en forskare vid
namn Roemers upptäckte att ljuset färdades med ändlig hastighet.
För de som trodde på vågteorin var det inte klart att ljuset skulle
påverkas av gravitationen överhuvudtaget. Faktum är att Newtons
gravitationsteori inte går att använda till ljus, eftersom ljus alltid har
samma hastighet. Att ljus påverkades av gravitationen och hur framgick inte
förrän Einstein framlade sin relativitetsteori.


En stjärnas livscykel
För att förstå svarta hål måste vi först förstå en stjärnas livscykel. En
stjärna bildas då en stor mängd gas (främst väte) kollapsar tack vare
gravitationen. Gasens temperatur ökar allt eftersom de kommer allt närmare
varandra och det blir fler kollisioner. Till slut blir temperaturen så stor
att väteatomerna börjar gå ihop med varandra och bilda helium atomer. (Det
är i detta stadium som vår egen sol befinner sig.) Men bränslet måste också någon gång ta slut och när det väl gör det börjar stjärnan dra ihop sig.
Om Stjärnan då väger mindre än
1,4ggr vår sols massa kommer vi få en vit dvärg. De blir stabila kroppar
tack vare någon som heter uteslutningsprincipen. Detta är en kraft som
verkat mot gravitationen hos de här stjärnorna och gör dem stabila.
Uteslutningsprincipen är en repulsionskraft mellan elektronerna i atomerna.
För stjärnor som har massa över 1,4 solmassor finns det två alternativ. Den
ena är att stjärnan blir stabil tack vare uteslutningsprincipen mellan
neutronerna och protonerna i atomernas kärnor. Dessa kallas neutronstjärnor. Det andra alternativet är om gravitationen hos stjärnan är
så hög att inte ens uteslutningsprincipen klarar att hålla uppe stjärnan.
Det som då bildas är ett svart hål.



Svarta hål
Ett svart hål kan med enkelhet beskrivas som en himlakropp som har så
mycket gravitation att dess flykthastighet[1] blir högre än ljusets
hastighet. Ett svart hål har ingen radie. Gravitationen har tryck ihop all
materia till ingen volym alls. Det är en singularitet med oändlig
masstäthet. Det svarta hålet har en hädelsehorisont. Denna kan man tänka
sig som en radie, men det är egentligen en gräns vid det svarta hålet.
Händelse horisonten avskärmar all kommunikation mellan det svarta hålet och
utanför. Allt som kommer innanför händelsehorisonten slukas av det svarta
hålet, innanför händelsehorisonten finns det ingen återvändo. Avståndet
mellan det svarta hålet och händelsehorisonten beror på hålets gravitation som vi vet kan inget färdas snabbare än ljuset.
Därför försvinner aldrig
någon materia från kroppen. Materia som kommer innanför det svarta hålets
händelse horisont dras ner till singulariteten i det svarta hålets centrum,
och det svarta hålet växer. Alltså kan svarta hål växa men inte minska.


Gravitationsvågor och Svarta håls form
Einsteins allmänna relativitetsteori förutsäger att riktigt tunga objekt
som rör sig kommer att sända ut "svallvågor" i rumtiden, som färdas med
ljusets hastighet. Dessa vågor liknar ljusvågor men är mycket svårare att
påvisa. Man kan visa dem genom att de förskjuter olika partiklar som är
fritt rörliga. Man håller idag på att bygga detektorer i USA, Europa och
Japan för att mäta detta. Precis som ljusvågor så för de med sig energi
från dess källa. Man kan då vänta sig att källan då till slut skulle komma
till vila.
Jordens rörelse i sin bana runt solen ger också upphov till
gravitationsvågor. Energiförlusterna från dessa kommer att ändra jordens
bana kring solen så att Jorden gradvis kommer närmare den. Men eftersom
energiförlusterna är så små (man skulle kunna driva en värmekamin på
förlusterna) kommer detta inte betyda något för oss eftersom det skulle
dröja ca tusen miljoner miljoner miljoner miljoner år för jorden att åka in
i solen. Jordbanans förändring är för liten för att kunnas mätas men man
har sett liknade fenomen i stjärnsystemet
PSR 1913+16 (detta är en pulsar). Systemet består av två neutronstjärnor
som kretsar runt varandra och energiförlusterna p.g.a. gravitationsvågorna
gör att de vandrar i en spiral mot varandra och de kommer slutligen
kollidera.
Under den gravitationella kollapsen när en stjärna bildar ett svart hål är
rörelsen mycket högre och utstrålningstakten för gravitationsvågorna är
mycket högre. Det går därför ganska snabbt för den att komma till ett
vilotillstånd. Detta är stjärnans sista stadium innan det blir ett svart
hål.
1967 visade forskaren Werner Israel att icke-roterande svarta håls
konstruktion var mycket enkel. Han menade att det svarta hålets
konstruktion inte alls betydde på de egenskaper som dess ursprungliga
stjärna hade haft (förutom då massan så klart). De är perfekt sfäriska, och
dess storlek består endast av dess massa. Två svarta hål med lika stora
massor är därför identiska. Många menade att denna tes inte alls fungerade
eftersom det svarta hålet då måste ha bildats ur en perfekt sfärisk stjärna
(vilka inga är). Det fanns emellertid en annan tolkning. När det svarta
hålet gick genom sitt slutliga stadium, så blev den perfekta sfäriska
formen resultatet av de många gravitationsvågorna. När den kom till vila
skulle objektet vara perfekt sfärisk. Enligt detta synsätt skulle alla icke-
roterande stjärnor, oberoende av form, sluta som en perfekt sfärisk kropp
och dess storlek skulle enbart bero på dess massa. Teorin var begränsad
till himlakroppar som inte roterade men 1963 gjorde forskaren Roy Kerr en
samling extra ekvationer till Einsteins allmänna relativitetsteori som
beskrev roterande svarta hål. Om rotationen var noll så skulle det svarta
hålet vara perfekt sfäriskt. Men om det roterade så skulle det "bukta" vid
polerna. 1970 styrktes denna teori av bevis från David Robinson. Alla
svarta hål kommer till slut till ett vilostånd där de kan rotera. Han
bevisade även att dess form och storlek enbart berodde på dess massa och
dess rotationshastighet och inte på de egenskaper som dess stjärna hade
haft. Detta resultat blev känt i form av maximen: "Ett svart hål har inget
hår".

Hur man upptäcker svarta hål
Eftersom svarta hål är har så stor gravitationskraft att ljus inte kommer
från dem kan vi inte se dem. Det finns dock andra sätt att påvisa svarta
hål.
Ljuset från stjärnor som ligger i närheten av svarta hål böjs väldigt
mycket kring dem eftersom de har så stor gravitation. Om ljuset kommer
innanför händelsehorisonten ser vi dock inte det, men om det endast kommer
i närheten av gränsen kommer det att böjas kraftigt. Många hävdar också att
om ljus kommer in i en speciell vinkel i händelsehorisonten så kommer det
att "åka" runt det svarta hålet jämsides med händelsehorisonten.
Det vanligaste och antagligen lättaste sättet att påvisa svarta hål är att
se på deras närliggande grannar. Man kan på vissa ställen se hur stora
stjärnor kretsar kring en "osynlig" punkt. Det betyder inte att det är
svarta hål, det hade kunnat vara en mycket ljussvag stjärna. Men det kan
betyda att det är ett svarthål. Ett sådant system kallas Cygnus X-1. I
detta fallet har man med hjälp av beräkningar på den synliga himlakroppens
bana kunnat räkna ut den "osynligas" minsta möjliga massa, vilket i det här
fallet var 6 solmassor. Vilket alltså utesluter att det är en svart
dvärg[2]. Massa är också för stor för att objektet skall vara en
neutronstjärna.
Vi antar idag att det finns svarta hål i vår egen galax, Vintergatan,
eftersom massan hos de stjärnor vi ser i vår galax inte räcker till för att
ge galaxen den rotation som den har. Vi tror även att det finns svarta hål
som har en massa på omkring hundra miljoner solmassor. Till exempel har
observationer med Hubble-teleskopet av galaxen M87 avslöjat att det är en
skivformad galax som roterar kring ett centralt objekt som inte kan vara
något annat än ett svart hål. Materia som faller in i ett sånt här super
svart hål, åker ner mot hålet i en spiral formad bana (som när man släpper
ut vatten ur badkaret) och får då det svarta hålet att rotera åt samma hål.
Detta framkallar ett magnetfält av samma slag som jordens. Nära det svarta
hålet kommer det att bildas högenergisk materia av de infallande
partiklarna. Magnetfältet är så starkt att det "slungar" denna materia rakt
ut från den diskformade galaxen. Detta har man observerat på många galaxer
och kvasarer.
Ett sätt att observera svarta hål är att mäta gravitationsvågor, detta är
inte helt möjligt idag men man tror att det kommer vara det inom en snar
framtid.

(En data animerad bild av hur mycket energi ett svart hål verkligen skickar ut.)

Användningen av svarta hål
Om man i framtiden skulle kunna "fånga" en miniatyr av ett svart hål med
hjälp av dess gravitation skulle man kunna tjäna väldigt mycket på det.
Eftersom all materia som rör sig ned mot ett svart hål avger energi. Energi
problem skulle för alltid varit löst.
Ett annat scenario kan vara att vi "bogserar" in ett svart hål i omlopps
bana kring jorden (ett väldigt litet miniatyr svart hål), sedan skickar vi
en konstant ström väte som precis snuddar vid dess händelsehorisont. Vätet
kommer då att upphettas till fusion, tack vare tidvatten effekten, och ut
på andra sidan kommer helium. Detta är då det enklaste och ofarligaste
tänkbara kärnfusionsreaktor, och energin kan lagras och sändas ner till Jorden.





Slutsatser
Att svarta hål existera är de flesta överens om. Många hävdar i och för sig
fortfarande att svarta hål inte finns och att det är osäkert eftersom det
mesta som handlar om svarta hål inte bygger på observationer utan istället
på matematiska beräkningar. Forskningen om svarta hål är antagligen det
första i historien som har gått på det här sättet med just beräkningar före
observationer. Jag tror att de svarta hålen kommer vara det som det forskas
i även i framtiden.
Många av de som tror på att universum skapades ur big bang tror även på att
det skall sluta i en big crunch, en enda stor sammandragning. Mycket av de
teorierna handlar om hur just svarta hål inte går att förstöra och hur all
materia i universum allt eftersom ansluter sig till olika svarta hål oc...