Svarta hål är bland de mest fascinerande fenomenen i yttre rymden, och vi lär oss mer om dem hela tiden. Bara förra veckan, en grupp astronomer publicerade ett dokument som dokumenterade en sällsynt synlig kollision av svarta hål, som producerade en ljusblixt som gjorde det möjligt för forskare att se händelsen från jorden.

Från Star Trek till Doctor Who till The Orville, science fiction innehåller ofta svarta hål i berättelser, till stor del för att det fortfarande finns så mycket vi inte vet. Men Alexander Vilenkin är inte alls skrämd av detta omfattande och komplexa ämne. Leonard och Jane Holmes Bernstein professor i evolutionsvetenskap vid institutionen för fysik och astronomi vid Tufts, han har studerat teoretisk kosmologi, inklusive mörk energi, kosmiska strängar, och multiversum, i årtionden. Om någon kan hjälpa till att reda ut en del av mysteriet kring svarta hål, det är han.

Vilenkin gav nyligen Tufts Now en snabbkurs för att göra dessa kosmiska jättar lite mer tillgängliga. Här är tre fakta om svarta hål att linda huvudet runt.

Svarta hål kan vara obegripligt stora

Svarta hål mäts efter deras storlek och massa, eller mängden materia de har. Ett medelstort svart hål kan ha en massa som är tjugo gånger större än solen. Dock, tyngdkraften inuti ett svart hål är så stark att den kondenserar all den massan till en boll med en diameter på bara cirka tjugo mil.

Supermassiva svarta hål är de största svarta hålen. Vilenkin sa att dessa giganter kan ha en massa på en miljard solar med en diameter som är ungefär lika stor som vårt solsystem.

Varje stor galax, inklusive Vintergatan, har minst ett supermassivt svart hål i mitten. "När det gäller supermassiva svarta hål, vår är ganska liten. Det handlar bara om några miljoner solmassor, " han sa.

Det minsta svarta hålet som registrerats är praktiskt taget litet:det är knappt fyra gånger massan av vår sol.

Svarta hål kan smälta samman

Svarta hål som är nära varandra tenderar att driva närmare varandra, sa Vilenkin. "Vad som händer är att dessa svarta hål fäster vid varandra, gravitationsmässigt, och börja rotera runt varandra. De bildar ett binärt system, och när de roterar, de kommer gradvis att förlora sin energi genom gravitationsstrålning. De kommer närmare och närmare varandra och roterar runt varandra snabbare och snabbare. Så småningom smälter de samman, " han sa.

Än så länge, kollisioner av supermassiva svarta hål har inte observerats, men astronomer har observerat kollisioner av mycket mindre svarta hål, sa Vilenkin.

Vi kan inte se en sådan kollision genom ett teleskop, oavsett hur kraftfull den är, eftersom inget ljus kan fly från ett svart hål. Dock, använder mycket känsliga – och mycket stora – instrument som kallas gravitationsvågsdetektorer, forskare kan upptäcka och mäta gravitationsvågor som emitteras av svarta hål. Vågorna är som krusningar i rumtiden (mer om det om lite), och de insamlade uppgifterna berättar historien om vad som händer miljoner eller miljarder ljusår bort.

"Gravitationsvågorna som sänds ut medan svarta hål bara kretsar i sina binära system är vanligtvis för svaga för att upptäckas. Men denna slutliga stråldos när de svarta hålen håller på att smälta samman, och när de så småningom går samman för att bilda ett större svart hål, har observerats många gånger, " han sa.

Burstarna av gravitationsstrålning varar mycket kort tid, men de kommer i ett visst mönster. När astronomer ser detta mönster, Vilenkin sa, de kan identifiera det som en kollision av svarta hål och räkna ut deras massor och hur långt bort de är. I september 2019, NASA meddelade att astronomer såg tre supermassiva svarta hål på en kollisionskurs i ett system ungefär en miljard ljusår från jorden.

Svarta hål har en point of no return

Svarta hål har vad som kallas en händelsehorisont. Tänk på detta som ytan på det svarta hålet. Ingenting kan fly under ytan, inklusive ljus. Så vad händer när, till exempel, ett rymdskepp, korsar händelsehorisonten?

"Låt oss säga att rymdskeppet skickar ljuspulser till oss när det närmar sig det svarta hålet. När rymdskeppet närmar sig händelsehorisonten, pulserna kommer att bli svagare och svagare, och intervallen mellan dem blir längre och längre, " sa Vilenkin. "När rymdskeppet kommer väldigt nära händelsehorisonten, vi ser det som om det är fruset. Vi kommer aldrig att se rymdskeppet faktiskt gå under händelsehorisonten eftersom ljus inte kan fly underifrån."

Hur är det med resenärerna i rymdskeppet? Vilenkin sa när rymdskeppet närmar sig händelsehorisonten, de skulle inte märka något speciellt, och de skulle fortfarande se oss. Dock, när de väl korsar händelsehorisonten, detta är en punkt utan återvändo. Du kan inte vända dig om och komma ut. Du kan bara röra dig mot mitten av det svarta hålet, han sa.

Tyngdkraften kommer att bli starkare och starkare, och eftersom gravitationen sträcker saker i en riktning, rymdskeppet kommer att bli spaghettifierat. "Slutligen kommer detta rymdskepp att träffa mittpunkten, som kallas singulariteten. Singulariteten är, matematiskt, där gravitationen blir oändligt stark, så krökningen av rumstid blir oändlig. Vi kan inte riktigt säga vad som exakt händer i singularitet, men rymdskeppet och allt inuti kommer att förstöras långt innan skeppet når singulariteten, sa Vilenkin.