Hvad er sorte huller og kan de opstå ved CERN?
I forbindelse med CERNs partikelaccelerator har vi fået en masse spørgsmål om sorte huller:
De fleste drejer sig om følgende to ting: Hvad er et sort hul, og hvad ville der ske, hvis der virkelig opstod et sort hul ved CERN?
Vi har bedt John Renner Hansen, professor og institutleder ved Niels Bohr Institutet, om at svare:
"Lidt om sorte huller i almindelighed og de små i særdeleshed.
Sorte huller er uløseligt forbundet til tyngdekraften også kaldet gravitationskraften, som er den svageste af de fire naturkræfter. Tyngdekraftens måde at virke på blev første gang beskrevet af Newton for mere end 325 år siden, og hans beskrivelse af himmellegemernes bevægelse har siden kunnet beskrive både æblers fald mod jorden og planeternes gang om solen.
Hvor svag tyngdekraften er, kan man få et fornemmelse af ved at beregne forholdet mellem tyngdekraften og den elektriske kraft mellem elektronen og protonen i et brintatom. Det viser sig, at den elektriske kraft er 38 størrelsesordner stærkere end tyngdekraften. Til daglig føler vi tyngdekraften som en stærk kraft, fordi jorden er så stor. Den elektriske kraft føles derimod ikke nær så stærk, fordi der findes to elektriske ladninger, en positiv og en negativ.
I vores omgivelser er der lige meget af de to typer, som derfor neutraliserer hinanden. I brintatomet føler den negative elektron og den positive proton hinanden, men er man et lille stykke væk, mærker man kun den samlede ladning, nul. Et tilsvarende fænomen findes ikke for tyngdekraften.
Newtons mekanik viser også, at tyngdekraften fra et kugleformet legeme kan beskrives, som om al massen er samlet i kuglens centrum. Jorden og de andre planeter vil foretage den samme elliptiske bevægelse omkring solen, hvad enten solens masse er fordelt, som den er nu, eller samlet i et punkt der, hvor solens centrum er.
Sorte huler er defineret som objekter, hvor man skal have en hastighed, som er større end lysets hastighed for at slippe væk, og det kan ikke lade sig gøre. Hvis man skal sende et projektil væk fra jorden, så det aldrig falder tilbage, skal udgangshastigheden være ca. 7 km pr. sekund. Hvis jorden presses sammen til en kugle med den halve radius, vil undvigelseshastigheden være dobbelt så stor. Fortsætter man dette tankeeksperiment, indtil jorden kun fyldte ca. 18 mm i diameter, vil man skulle sende projektilet op, med noget der er meget tæt på lysets hastighed.
Når jordens radius når under 8.8 mm er det blevet til et sort hul, for så kan selv ikke lyset slippe af sted. Grænsen kaldes Schwarzschild-radius for jorden. Den tilsvarende radius for solen er 2.95 km. For et givet objekt beregnes Schwarzschild-radius ved at gange den dobbelte masse med Newtons gravitationskonstant og dividere med kvadratet på lyshastigheden. Hvis solen blev erstattet af et sort hul, på samme sted og med samme masse, ville jorden og planeterne fortsætte deres bane, som om intet var hændt.
Små sorte huller, som man eventuelt, måske engang vil producere ved LHC, kan højst have en masse på cirka 20 gange jernatomets masse, mere energi er der ikke til rådighed ved LHC, desværre. Følger man standardteorien for sorte huller, vil de fordampe, hurtigere end de når at bevæge sig en nanometer væk fra sammenstødspunktet.
Skulle det alligevel være så besynderligt, at naturen producerer sorte huller, men nægter at følge de regler, som beskriver alt andet, vi ser, er det jo svært at forudsige, hvad naturen ellers har i ærmet. Men lad os alligevel lege med tanken.
Det sorte hul får lov til at overleve og følger ellers praksis for sorte huller. Dets Schwarzschild-radius vil være ca. 10^-50 m, eller 40 størrelsesordner mindre end atomet. Sandsynligheden for at noget kommer indenfor Schwarzschild-radius må betragtes som uendelig lille, der er jo kun gravitationskraften til at trække noget derind. Men hvis det nu er sådan, at det sorte hul kommer til at ligge stille lige der, hvor der er en fx jernkerne, så vil den med en vis sandsynlighed langsomt "spise" kernen og samtidig få en elektrisk ladning.
Hullet vil nu ligne en meget tung atomkerne i midten af det gamle jernatom, og elektronerne omkring vil ikke mærke den fjerneste ændring, for de kræfter, de mærker, er alt domineret af de elektriske kræfter mellem ladningerne. Det sorte hul er nu låst fast i den position, jernkernen havde før, som er 10^-10 meter væk fra andre jernkerner.
Det eneste "spiselige" er en elektron der forvilder sig ind under Schwarzschild radius. Men med den størrelse, vil det tage mange gange universets levetid at "spise" en enkelt elektron, og derved omdanne sig til et koboltatom. Et hurtigt overslag for den tid det vil tage for et lille sort hul at fange en elektron får man, ved at dividere atomets rumfang med produktet af arealet af et sort hul og lysets hastighed. Det er et tal som er mange størrelsesordner større end universets levetid."
Spørg Scientariet er i dag redigeret af Julie M. Callesen, jmc@ing.dk.
Utætheder skyldes uvidenhed og byggesjusk
Er mørkt stof en negativ tyngdekraft?
