Hur ser det ut när ett svart hål exploderar?

Då och då kan man läsa om forskare som gärna skulle vilja observera den sista sucken hos ett svart hål som förintas genom att sända ut Hawkingstrålning – enligt fysikern Stephen Hawkings berömda teori. Eftersom luminositeten mot slutet blir minst sagt enorm sägs det till och med att det blir en sjusärdeles smäll. I Sean Carrolls förträffliga bok From Eternity to Here kallas det till exempel ”a spectacular explosion”. Men jag började fundera över hur det egentligen är med den saken.

Skulle man till exempel kunna jämföra smällar som ibland syns i vår galax? En dvärgnova är ett utbrott från en dubbelstjärna där ena medlemmen är en vit dvärg, och de är rätt vanliga. Sådana kan i maximum komma upp i ungefär samma luminositet som solen, och det kan väl knappast ses som ett riktigt rejält utbrott; solens luminositet innebär att runt fyra miljarder kilo materia omvandlas till strålningsenergi per sekund.

Ett svart hål med massan fyra miljarder kilo har en återstående livstid på omkring fem biljoner sekunder. Så den genomsnittliga luminositeten under den tiden – runt etthundrasextiotusen år – är alltså en fembiljondels solluminositet. Men i början handlar det om mycket mindre än så, ljusstyrkan ökar oavlåtligt.

När en sekund återstår av det svarta hålets liv väger det omkring 230 000 kilo, så under den sista sekunden är den genomsnittliga luminositeten runt sextio miljondelar av solens luminositet; det är alltså inte ens under denna sista sekund frågan om någon våldsam energiutveckling per sekund – fast fortfarande blir luminositeten allt större när tiden går.
När det svarta hålet når upp till en över tiden genomsnittlig luminositet lika stor som solens har det en massa på omkring 1 600 kg, och den återstående livstiden är knappt en halv miljondels sekund. Luminositeten stiger sedan verkligen raskt, och blir till sist just enorm – men under så kort tid att den utstrålade energin är minst sagt ynklig ur ett kosmiskt perspektiv.

Anta att det svarta hålet ligger ett ynka ljusår bort, eller omkring 10¹⁶ m. I genomsnitt nås vi då av ungefär 3×10^–7 watt per kvadratmeter (motsvarande siffra för solen, solarkonstanten, är 1 361 watt per kvadratmeter). Inte just någon enorm smäll härifrån sett, och dessutom varar den långt mindre än en miljondels sekund (även om det faktiskt under senare delen av den tiden handlar om ljusare än skenbar magnitud –2,5).

Någon särskilt sjusärdeles smäll är det väl hur som helst inte frågan om – ens i jämförelse med en vanlig dvärgnova.

Det finns ju också ännu ett problem med observation av det svarta hålets dödsryckningar: att det handlar om synnerligen energetisk gammastrålning. Strålningstemperaturen ligger mot slutet på över 10²⁰ kelvin, dvs. med en topp i strålningen vid våglängder under 3×10^–26 meter, trettio miljarddels attometer …

Vad har vi fär gammateleskop som kan leta efter smällarna? NASA:s rymdteleskop Fermi klarar av strålning med runt tio miljoner gånger längre våglängd. Den kosmiska bakgrundsstrålningen har en rödförskjutning på ungefär 1 100, så inte ens hos en källa så långt bort (och följaktligen också otroligt mycket svagare) skulle strålningen ligga inom ett våglängdsområde mätbart med Fermi.

Sedan några år finns det emellertid s.k. tjerenkovteleskop som nog skulle kunna upptäcka en del fotoner från ett döende svart hål. Den planerade anläggningen CTA (Cherenkov Telescope Array, se artikel i Populär Astronomis septembernummer), har ännu större känslighet än de nu befintliga. I en artikel som publicerades i våras i tidskriften Astroparticle Physics Journal (i tidskriften; ArXiv) har ett forskarlag med fysikern Tilan Ukwatta i spetsen utrett möjligheterna till observationer av den sista sucken med tjerenkovteleskopen i anläggningen HAWC, High Altitude Water Cherenkov i Mexiko. Hur många fotoner det svarta hålet kan skicka iväg under sina sista sekunder beror rätt mycket på vilken modell för partikelfysiken som används – från början består Hawkingstrålningen av olika partiklar som snabbt sönderfaller. Men om det svarta hålet ligger en tjugondels ljusår från oss kommer författarna fram till att uppemot 1 400 fotoner skulle kunna detekteras under de sista tio sekunderna. Hur ska vi då veta att de kom från ett döende svart hål? Jo, ljuskurvan under denna korta tid kan ge besked, säger de. Det krävs förstås att den sista sucken kommer under den tid som anläggningen observerar just den delen av himlen, ca 15 % av himlen. Under ett dygn täcks 2/3 av hela himlen.

Hur stor är egentligen sannolikheten att det finns svarta hål på upphällningen så nära som betydligt mindre än ett ljusår? Vi frågade Yvonne Becherini, astrofysiker vid Linnéuniversitetet. Hon tipsar om en undersökning gjord med H.E.S.S. (High Energy Spectroscopic System) i Namibia som slog fast att det högst kan förekomma cirka 400 svarta hål som drar slutsucken inom ett kubikljusår per år, annars borde man ha hittat något.

Finns det tillnärmelsevis så många bör det innebära en rejäl total täthet av små svarta hål, eftersom långt ifrån alla borde ha slutat sin tillvaro under det senaste decenniet eller göra det under de närmaste åren. Finns det så många små svarta hål kan de kanske bidra till den mörka materian (läs mer om de okända små hålen i artikeln Vittnen från ursmällen: svarta hål i miniatyr av Marek Abramowicz och Julia Tjus i Populär Astronomi 2013/4).

Framtida teleskop kan avgöra frågan. Enligt Yvonne Becherini ligger både CTA och hennes eget projekt ALTO, som ska likna HAWC i Mexiko, bra till.

– Antingen kommer man att upptäcka något, eller så sätter man strängare gränser på förekomsten av sådana här signaler. Men detta är ett av flera goda skäl att skynda med att bygga CTA och ALTO, säger hon.

Gunnar Welin, biträdande redaktör