Sorte huller og mekanisk energi

Hvis en stjerne var ti til 50 gange størrelsen af vor sol, så ville gravitationen fortsætte med at sammenpresse, selv efter den blev til en neutronstjerne. Uden fusionens kraft til at modvirke det tyngdemæssige træk, er der intet til at modvirke stjernens endelige kollaps. På dette punkt bliver den til det berømte sorte hul. I en vis forstand må sorte huller eksistere. En stjerne, husker vi, er biproduktet af to kosmiske kræfter: gravitation, som prøver at knuse stjernen og fusion, som prøver at sprænge stjernen fra hinanden som i en hydrogenbombe. Alle de forskellige faser i en stjernes livshistorie er en konsekvens af denne fine balancegang mellem gravitation og fusion. Før eller senere, når alt kernebrændslet i en massiv stjerne endelig er opbrugt og stjernen er en masse af rene neutroner, er der intet kendt, som kan modstå gravitationens stærke kraft. Med tiden vil gravitationens kraft tage over og knuse neutronstjernen til ingenting. Stjernen er kommet hele vejen rundt: Den blev født, da gravitationen først begyndte at komprimere hydrogengas i himlen til en stjerne og den vil dø, når kernebrændslet er opbrugt og gravitationen kollapser den. Tætheden af et sort hul er så stor at lys, som en raket, der affyres fra jorden, vil blive tvunget til at kredse omkring det. Da intet lys kan undslippe fra det enorme gravitationsfelt, bliver den kollapsede stjernes farve sort. Det er faktisk den sædvanlige definition på et sort hul, en kollapset stjerne fra hvilken intet lys kan undslippe. For at forstå det bemærker vi, at alle himmellegemer har hvad der kaldes en undslippelseshastighed. Det er den hastighed, der er nødvendig for permanent at undslippe det legemes tyngdemæssige tiltrækning. F.eks. skal et rumfartøj nå en undslippelseshastighed på 25.000 miles i timen for at forlade jordens gravitationstiltrækning og gå ud i det dybe rum. Vore rumsonder som Voyager, der har vovet sig ud i det dybe rum og fuldstændig har forladt solsystemet (bærende på good-will budskaber til fremmede, der måtte samle dem op), har nået vor sols undslippelseshastighed. (Den kendsgerning at vi indånder oxygen skyldes, at oxygenatomerne ikke har hastighed nok til at undslippe jordens gravitationsfelt. Den kendsgerning at Jupiter og de andre gasgiganter hovedsagelig er lavet af hydrogen skyldes, at deres undslippelseshastighed er stor nok til at fange den oprindelige hydrogen fra det tidlige solsystem. Således hjælper undslippelseshastighed med at forklare udviklingen af vort solsystems planeter i de sidste 5 milliarder år.) Newtons teori om gravitation giver faktisk det nøjagtige forhold mellem stjernens undslippelseshastighed og masse. Jo tungere planeten eller stjernen er og jo mindre dens radius er, jo større er undslippelseshastigheden som er nødvendig for at undslippe dens tyngdemæssige tiltrækning. Så tidligt som i 1783 brugte den engelske astronom John Michell denne beregning til at foreslå, at en supermassiv stjerne kunne have en undslippelseshastighed lig med lysets hastighed. Lyset der udsendes af en så massiv stjerne kunne aldrig undslippe, men ville kredse om den. Således ville stjernen for en udvendig observatør forekomme helt sort. Ved brug af den bedste viden til rådighed i det attende århundrede, beregnede han faktisk massen af et sådant sort hul. Uheldigvis blev hans teori anset for at være skør og blev hurtigt glemt. Ikke desto mindre tenderer vi i dag mod at tro at sorte huller eksisterer, fordi vore teleskoper og instrumenter har set hvide dværge og neutronstjerner på himlen. Der er to måder at forklare, hvorfor sorte huller er sorte. Ud fra det hverdagsagtige synspunkt er "kraften" mellem stjernen og en lysstråle så stor, at dens bane bøjes til en cirkel. Eller man kan indtage det einsteinske synspunkt i hvilket "den korteste afstand mellem to punkter er en kurvet linie." At bøje en lysstråle til en hel cirkel betyder, at selve rummet er bøjet til en hel cirkel. Dette kan kun ske, hvis det sorte hul har knebet et stykke af rumtiden sammen med sig, så lysstrålen cirkulerer i en hyperkugle. Dette stykke af rumtiden har nu frakoblet sig fra rumtiden omkring den, selve rummet er "revet".