.nu

Skolarbeten och uppsatser från högstadiet och gymnasiet
Sök skolarbeten

Svarta hål

Ämne: Fysik
| Mer

InledningVad 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?
Ljus

Uttrycket svarta hål myntades år 1969 av den amerikanska forskaren John Wheeler. Det var ingen ny tanke, tanken går tillbaka minst två hundra, till en tid då det fanns två teorier om ljuset. Den ena, som Newton föredrog, var 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 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 stadiet som vår egen sol befinner sig. Till slut tar bränslet slut och stjärnan börjar 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 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 . 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.
Svarta hål-miniatyrer

Man kan tänka sig möjligheten att det finns mycket mindre svarta hål, som har mindre massa än t.o.m. vår egen sol. Sådana hål kan inte bildas genom en gravitationell kolapps eftersom massa är under Chandrasekhar-gränsen. Miniatyr svarta hål kan endast bildas om materia komprimeras med hjälp av yttre tryck. Enligt John Wheeler skulle det bildas ett miniatyr svart hål om man tog allt tungt väte i Jordens oceaner och gjort en enda stor vätebomb av det. Man tror att det har bildats många sådana här mindre svarta hål i universums tidiga skede. Självaste big bang skulle ha kraft nog att trycka ihop massa så att det bildades miniatyr svarta hål. Många forskare tror att det finns fler miniatyrer av svarta hål än de “vanliga” svarta hålen.
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.
Maskhål

Att resa i tiden har länge fascinerat oss människor. Under 1950 talet så var det många forskare som forskade i just detta. Något som också har fascinerat oss är huruvida det är möjligt att färdas till avlägsna platser snabbt. Enligt Einsteins teorier så kan inget fördas snabbare än ljuset. En tröst kan dock vara den s.k. Tvilling paradoxen, vilket innebär att om du färdas i ljusets hastighet så står tiden still. Relativitets teorin antyder dock att om man reser snabbare än ljuset så färdas man bakåt i tiden. Problemet är då att ju närmare ljusets hastighet du kommer desto större kraft blir du påverkad av, och du kommer aldrig upp i ljusets hastighet. Det kan jämföras med att dela talet ett med två. Du kommer närmare och närmare noll, men du når aldrig det.
Detta verkar utesluta både snabba rymdresor och resor tillbaka i tiden. Det finns dock en annan möjlighet. Om man kan deformera rumtiden så att det uppstår en genväg mellan två punkter i rummet, ett maskhål. På detta sätt skulle man kunna resa snabbare mellan två punkter i rymden. Men det skulle också möjliggöra tidresor. Maskhål är inte något som sience fiction författare har kommit på, utan det var Einstein och Nathan Rosen som 1935 skrev en uppsats om något de kallade “bryggor”, som idag är kända under namnet maskhål. Men de menade också att den som reste genom hålet skulle ränna rakt in i en singularitet, ett svart hål. Man skulle dessutom inte kunna hålla maskhålet öppet tillräckligt länge.
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 och hur dessa slutligen kolliderar med varandra tills det endast finns ett enda stort svart hål med all massa i universum. Men vi lever i en tid då det hela tiden tillkommer saker till det som är allmänt accepterat och det hela tiden faller bort saker som var allmänt accepterat. Nu diskuteras det huruvida universum är platt. Och detta kanske kan hjälpa till med att klarna upp bilden vi har på universum. Själv tror jag inte på att svarta hål är “odödliga” (eller kanske vill jag inte tro på det?!) att universum slutar med ett big crunch tror jag inte heller på. Människan är en ivrig varelse, vi försöker alltid förstå allt. Vi får “ledtrådar” från all annan vetenskap, men kan inte överblicka det, vi måste förena vetenskapen!
Att spekulera i frågor som universums öde är mer än vad vi klarar av, vi måste ta en liten bit i taget för att se den stora bilden. Svaren finns där, vi måste bara ställa rätt frågor.

Av: Isak Fahlin

Svarta hål, 2.9 out of 5 based on 20 ratings
| Mer
Betygsätt Svarta hål


Relaterade skolarbeten
Nedanstående är skolarbeten som handlar om Svarta hål eller som på något sätt är relaterade med Svarta hål.

Kommentera Svarta hål

« | »

'