Min presentasjon om sorte hull fra direkte kollaps (2): Stellare sorte hull

I forrige innlegg om presentasjonen min skrev jeg om hva et sort hull er, og hvilke ulike typer sorte hull vi snakker om. For å repetere, har vi denne gjengen her:

Presentasjon-DCBH-5

Spørsmålet jeg avsluttet med forrige gang var: Kan stellare sorte hull vokse seg store nok til å bli supermassive sorte hull over tid, ved å spise materie som ligger i nærheten? Det skal jeg svare på denne gangen!

Stjerner i tidsklemma

Svaret blir dessverre «mest sannsynligvis ikke». De stellare sorte hullene får nemlig et problem med hvor lang tid det tar å vokse seg stor. Dette skyldes observasjoner gjort av kvasarer:

Presentasjon-DCBH-6

Illustrasjon av en kvasar, ikke et bilde!

Kvasarer er de mest lyssterke objektene i universet og disse drives av supermassive sorte hull (energien som blir frigjort i form av lys, er resultatet av materie som faller inn mot det sorte hullet og blir hetet opp skikkelig). Fordi kvasarer er så lyssterke, kan vi se de på utrolige store avstander. Og når vi ser langt utover i universet, ser vi også bakover i tid. Vi ser altså kvasaren slik den var veldig tidlig i universets historie.

Universet er i dag 13,8 milliarder år gammelt. Den eldste kvasaren som er observert, eksisterte «bare» 770 millioner år etter Det store smellet. Den ser slik ut (ikke akkurat et like dramatisk skue som på forrige bilde):

Presentasjon-DCBH-7

Ved å måle lysstyrken til kvasaren kan vi regne ut hvor massivt det sorte hullet som driver den er. Denne kvasaren drives av et sort hull på hele 2 milliarder solmasser!

Altså: Dette sorte hullet var helt enormt så tidlig i universets historie at det vil være vanskelig for et stellart sort hull å vokse seg så stor på så kort tid. La oss regne på det, for å være helt sikre 🙂

Et stellart sort hull blir til

Vi begynner med å se på hvordan et stellart sort hull blir til. Men da må vi aller først ha en stjerne. Stjerner blir til ved at en del av en molekylær gassky kollapser og blir så tettpakket at fusjonsprosesser setter i gang i kjernen (da smelter flere atomkjerner sammen for å danne en tyngre atomkjerne). Et eksempel på en slik molekylær gassky er Oriontåken:

Presentasjon-DCBH-10

Så lenge fusjonsprosessene foregår i stjernens indre, lever stjernen i beste velgående. I kjernen omdannes hydrogen til helium og deretter enda tyngre grunnstoffer. Hvis stjernen er riktig massiv, kan den ende opp med en kjerne av jern, som er det tyngste grunnstoffet som lar seg fusjonere. Da klarer ikke stjernen å fusjonere lenger, og blir ustabil fordi gravitasjonskreftene som trekker innover og trykkreftene fra fusjonsprosessene som dytter utover ikke lenger er i balanse.

En slik stjerne vil avslutte sitt liv i en supernovaekslosjon. Da blir de ytterste lagene av stjernen kastet ut i verdensrommet og vi sitter igjen med en stjernerest. Det er denne stjerneresten som er interessant: Hvis den er mer massiv enn ca. 3 solmasser, ender den opp som et sort hull. Voila!

(Det er fint å ha i bakhodet til neste innlegg at når disse stjernelagene kastes utover, blir metallene som er produsert inni stjernen spredt utover i verdensrommet, og universet inneholder deretter en større mengde metaller enn før)

De første stellare sorte hullene

Stellare sorte hull er typisk av størrelsesorden 10 solmasser. Det kan vokse seg større ved å spise omkringliggende gass og støv. Supermassive sorte hull er nesten en milliard ganger større. Hvor lang tid vil det ta for et stellart sort hull å vokse seg så stort?

Si at vi vil forsøke å lage et supermassivt sort hull som kan forklare den eldste kvasaren vi har observert. Fordi denne kvasaren eksisterte veldig tidlig i universets historie, ser vi på den aller første generasjonen med stjerner som fantes, såkalte Populasjon-III-stjerner.

Her er en tidslinje for universets historie, hvor jeg har markert hendelsene som er av interesse for oss:

Presentasjon-DCBH-14

Disse Populasjon-III-stjernene levde på en tid da universet var svært metallfattig, som gjorde at de kunne vokse seg større enn stjernene som dannes i dag. I beste fall kunne de produsere sorte hull på 50 solmasser (og i dårligste fall sorte hull på bare én solmasse)!

Spørsmålet blir dermed:

Hvor fort kan et sort hull vokse?

Det finnes en teoretisk grense for hvor fort et sort hull kan vokse, og den kalles Eddington-grensen (eller Eddington-luminositeten).

Se for deg følgende situasjon: Materie faller inn mot det sorte hullet fordi det sorte hullet trekker på materien med gravitasjonskrefter. Materien blir akselerert og oppvarmet på vei innover. Noe av hvilemassen til den innfallende materien vil da bli omgjort til stråling som sendes ut fra det sorte hullet (E = mc²!), slik som her:

Presentasjon-DCBH-16

Denne strålingen utøver et trykk på materien som er på vei innover mot det sorte hullet og kan bremse den ned dersom trykket er stort nok. Eddington-grensen er nådd når gravitasjonskraften som trekker innover er perfekt balansert av trykkreftene som dytter utover. Da kommer ikke materien inn til det sorte hullet og det vokser ikke!

Dette konseptet kan vi bruke til å utlede en formel for hvor fort et sort hull kan vokse seg til en gitt masse. Si at vi starter med et sort hull på 50 solmasser og vil at det skal bli til et sort hull på en milliard solmasser. Hvor lang tid tar det?

Konklusjonen er samlet her (Myr = 1 million år, Gyr = 1 gigaår = 1 milliard år):

Presentasjon-DCBH-18

Fra lysbildet ovenfor ser vi at det i beste fall tar 1,4 milliarder år etter Det store smellet å få et massivt nok sort hull fra et stellart sort hull på 50 solmasser (og resultatet er mye verre hvis vi starter med et stellart sort hull på bare én solmasse). 1,4 milliarder år er alt for sent med tanke på at kvasaren vi observerer var i full drift bare 770 millioner år etter Det store smellet. Derfor er det svært usannsynlig at supermassive sorte hull kan bli til ved at stellare sorte hull har vokst over tid!

Derfor trenger vi en alternativ teori, og det er her teorien om direkte kollaps kommer inn i bildet! Mer om det i neste innlegg! 😀

Hovedbilde: forsiden til presentasjonen min, bakgrunnsbilde av Dana Berry (SkyWorks Digital)

Relaterte innlegg

Legg inn en kommentar

Dette nettstedet bruker Akismet for å redusere spam. Lær om hvordan dine kommentar-data prosesseres.