Svarta hål och antimateria

Nedanstående innehåll är skapat av Mimers Brunns besökare. Kommentera arbete

Vad är egentligen ett svart hål?

Om man ska ta det enkelt så är ett svart hål en hypotetisk himlakropp. En himlakropp med ett så starkt gravitationsfält att vare sig strålning eller materia kan lämna det. Varför det kallas just ett svart hål är pga. av att ljus inte kan lämna det.
Svarta hål är ganska vanliga i galaxer och finns utspridda i galaxerna i normal storlek, sedan i centrum av de flesta stora galaxerna finns det supermassiva svarta hål med massor på flera miljarder solmassor.
Ett svart hål uppstår när riktigt jättestjärnor blir supernovor. En del supernovor uppstår när materia överförs från en stjärna till en annan i ett dubbelstjärnepar. Alla supernovor blossar upp extremt häftigt. Den största delen av stjärnan sprängs ut i rymden och det är bara i supernovor som tunga grundämnen bildas, t.ex. järn och kisel. Supernovor är något väldigt sållsynt. Det har enbart exploderat sex stycken i hela Vintergatan på 2000 år. Tillbaks till svarat hål, som sagt så är det så här svarta hål uppkommer. Massan från explosionen pressas samman extremt mycket och då bildas ett svart hål.
Ett svart hål är väldigt kompakt, så kompakt att flykthastigheten är större än ljusets hastighet, och då har ändå ljuset en hastighet på 300 000 kilometer per sekund. Om någonting faller i ett svart hål hör man aldrig mer av det.
Vi kan inte se svarta hål pga. att varken radiovågor, ljus eller något annat kan slippa ut från det. Men hur vet vi då att svarat hål finns? Jo, på grund av dragningskraften, gravitationen från dess väldiga tyngd. Man kan se hur den får både stjärnor och ljusstrålar att ändra sina banor. Och när något faller in i ett svart hål så ökar hastigheten så snabbt att det sänder ut en särskild slags strålning. Materia som sugs in i ett svart hål faller inte rakt in. Utan materian ”flyter” en tid i en ansamlingsskiva, där materian rör sig i en spiral mot själva hålet. Precis innan materian faller in i hålet har den blivit så pass upphettad att den sänder ut röntgenstrålning.



Antimateria

Antimateria är vad det låter som, motsatsen till vanlig materia. Den är uppbyggd på samma sätt som alla fysiska kroppar i våran observanta omgivning. Men skillnaden är den att antimateria består av antiatomer och antiartiklar istället för atomer och elementarpartiklar. T.ex. en väteatom består av en positivt laddad proton i kärnan och en negativ elektron är bunden i en bana omkring den tunga protonen. Medan en antiväteatom består av en negativ laddad antiproton som är omgiven av en positivt laddad antielektron, även kallad positron. Forskare har lyckats framställa antiväte. Men det återkommer jag till senare.
Begreppet antipartikel och begreppet antimateria kommer ifrån den brittiske fysikern P.A.M Diracs. Han fann att med samma massa som elektronen fanns också en massa men med motsatt elektrisk laddning. Alltså att protoner och elektroner har sina motsatser: den positivt laddade positronen och den negativt laddade antiprotonen. Men någon sådan partikel hade inte observerats ännu. År 1932 observerade Carl D. Anderson vid California Institute of Technology, som gick att identifieras med Diracs antielektron och positronen. Men först 20 år senare kunde man observera den första tunga antiprotonen. Den skapades genom kollision mellan protoner vid hög energi. CERN lyckades producera nio stycken antiväteatomer, men dessa existerade bara i 40 nanosekunder (0,000000040 sekunder)
När antimateria och materia möts så frigörs stora mängder energi genom annihilation, vilket betyder att vid en kollision med sin antipartikel så förintas partikeln och övergår i andra former av energi. Som exempel så kan en elektron vid kollison med sin antipartikel, positronen, övergå i en eller flera fotoner. Vid en fullständig annihilation av ett gram materia med ett gram antimateria frigörs det ca 2∙10^14 J, tillräckligt mycket energi för att driva en hundrawattslampa lysande i 60 000 år. Vilket är extremt mycket för en sådan liten mängd av materia och antimateria. När antimateria och materia kolliderar så blir 100 % av massan ren energi.
Vart antimaterian finns är en stor fråga inom fysiken. Förmodligen bildades lika mycket antimateria som materia vid Big Bang, materia och antimateria kolliderade och nästan allting blev till energi. Endast en miljondel av universums energi är massa. Men det borde egentligen finnas lika mycket antimateria som det finns materia idag, men man har ännu inte upptäckt den om den nu finns. År 1977 tror man sig ha funnit ett moln av antimateria i Vintergatans mitt, men detta är inte verifierat.
Tillbaka till annihilationsprocessen. Men kan inte antimateria finnas inuti stjärnor? Nej, på grund av den extremt snabba annihilationsprocessen så kan ingen stjärna innehålla både antimateria och materia. För i såna fall så skull stjärnan explodera med en större energiutlösning än i en supernova. Det förekommer inte heller antimateria i interstellära eller intergalaktiska gasmoln.
Varför använder man sig inte av antimaterian när den bildar så extremt mycket energi? Det är väldigt svårt att skapa antimateria och det tar lång tid, och man behöver ett bra sätt att förvara den på. Om man skulle kunna använda sig av antimateria så skulle framtidens fusionskraft vara värdelös.
Något som man främst diskuterat är att använda antimateria till rymdfarkoster, vilket skulle vara ett enormt framsteg för rymdfärder. Forskare har redan börjat arbeta på idéer om framtida rymdskepp som drivs av antimateria. I oktober år 2000 presenterade NASA forskare en modell av hur ett sådant skepp skulle kunna se ut och hur det skulle fungera. Om ett sådant skepp skulle fungera så skulle det var 1000 gånger så effektivt mot ett bensindrivet skepp. Man skulle kunna med endast 14 nanogram (0,000000014 gram) kunna skicka iväg en obemannad rymdfarkost till mars på endast en månad. Om man skulle skicka iväg en farkost till mars idag skulle det ta ett år och kostar stora summor med pengar. Sedan så är farkosterna stora och klumpiga på grund av allt bränsle som behövs. Om man skulle lyckas med detta skulle det vara en bland de största upptäckterna någonsin för mänskligheten. Att kunna omvandla massa till 100 % energi.
Många forskare vill hitta antimateria i rymden. Men var finns den? Det finns två teorier: Antingen blev antimaterian verkligen förintad efter Big Bang. Eller så har materia och antimateria lyckats dela sig på något vis. Och såna fall borde antimaterian gå att finna. I slutet av år 2003 (enligt mina källor) så sköts en rysk satellit up från Bajkonur i Kazakstan. Och med på den här satelliten så finns det ett antal instrument som ska mäta hur mycket antimateria det finns i rymden. En docent vid namn Mark Pearce från Kungliga tekniska högskolan i Stockholm uttalade sig och sa:
– Vi vet att vi kommer att hitta antiprotoner och antielektroner. Om vi hittar tyngre antimateria som till exempel antiheluim måste det vara en rest från Big Bang. Satelliten kommer att med mätinstrument cirkulera i en elliptisk bana runt jordklotet i tre år. Om de skulle lyckas hitta antihelium i rymden så måste teorierna och universums uppkomst skrivas om.



Det är inte bara den stora smällen och den kosmiska strålningen som kan producera antimateria. Man har nämligen lyckats med det på jorden. Läkare använder antipartiklar i medicinska undersökningar. Med hjälp av positroner kan läkare upptäcka Parkinsons sjukdom på ett tidigt stadium. Metoden de använder sig av kallas PET, som står för positronemissionstomografi. Det går ut på att antielektroner och elektroner förintar varandra. Läkaren injicerar ett radioaktivt ämne i patienten, och ämnet sänder då ut antielektroner. Och så fort antielektronerna kommer ut i kroppen så förintas de tillsammans med kroppens egna elektroner. Kvar då blir strålningen som fångas upp med ett mätinstrument.
Redan år 1995 så tillverkade forskare vid både Femi National Accelerator Laboratory i USA och Cern i Schweiz små mängder av antiväte. Men problemet då var att antiatomerna förintades innan forskarna hann studera dem närmre.
Det är många forskare som forskar inom detta och det uppstår en viss konkurrens. Till exempel så för Jeffrey Hangst och hans forskargrupp en kamp mot amerikanen Gerald Gabrielses grupp. Jeffrey Hangst vann tävlingen och lyckades först med att tillverka långsamt antiväte. Då långsamma antiväteatomer inte kolliderar lika fort med materia och då hinner forskarna studera dem närmre. Man kan ju tänka sig att forskare samarbetar för att komma fram till något, men mellan de här två så var tydligen konkurrensen sten hård. Det var år 2002 som Jeffrey Hangst och hans team lyckades producera 50 000 atomer av antiväte. Nu försöker forskarna att sända in ljus i antiväteatomerna och studera hur det ljus som kommer ut ser ut. Och efter det så ska de jämföra antiväteatomens ljus med väteatomens utsända ljus. Och om det visar sig att antiväte och väte är olika, så kan skillnaden förklara varför det inte finns lika mycket antimateria som materia i universum. Och forskarna är det ett steg närmre på en lösning om universums gåta.

Nobelpristagare år 2005

2005 nobelpristagare inom fysik var Roy Glauber som belönades för sin teoretiska beskrivning av ljuspartiklars uppträdande. John Hall och Theodor Hänsch belönas för utveckling av laserbaserad precisionsspektroskopi, som är färgbestämmning av atomers och molekylers ljus med yttersta noggrannhet.
Det handlar mycket om elektromagnetiska vågor, alltså synligt ljus. Och med hjälp av ljuset så kan vi faktiskt orientera oss i det dagliga livet eller betrakta universums mest avlägsna galaxer. Några frågor som de här forskarna svarat på är: ”Vad är ljus och hur skiljer sig olika typer av ljus från varandra? Hur skiljer sig ljuset från ett stearinljus från ljuset som lasern i en CD-spelare skickar ut? Ljusets hastighet genom den tomma rymden är enligt Albert Einstein konstant. Går det att använda ljus till att mäta tid ännu noggrannare än med dagens atomklockor?” Detta står i det om i ett sju sidor långt häfte, och jag visste inte exakt vad jag skulle ta hur häft...