När vi blickar ut i Vintergatan ser vi miljarder stjärnor i olika stadier av sina liv. Dessa enorma gasklot lyser tack vare fusion, där atomkärnor slås samman och frigör stora mängder energi och värme.

Samtidigt pågår en ständig kamp inne i varje stjärna mellan energins tryck utåt och gravitationens dragkraft inåt. Så länge dessa krafter är i balans kan stjärnan leva vidare i miljarder år. Men när balansen till slut rubbas förändras stjärnan dramatiskt. Vissa stjärnor slutar sina liv som vita dvärgar, medan de allra mest massiva kan kollapsa och bilda svarta hål, några av universums mest fascinerande objekt. För att förstå galaxer, stjärnor och vår plats i universum behöver vi därför förstå hur fusion, värme och gravitation formar stjärnornas liv och död.

Men vad är en stjärna? Stjärnor bildas av gasmoln som framför allt består av väte och helium. Så var kommer alla tunga atomer ifrån?

Vi bor i en galax som heter Vintergatan. Den är ungefär 13,6 miljarder år gammal och omkring 100 000 ljusår bred. Vintergatan är en spiralgalax. Det betyder att stjärnorna ligger i ett mönster så det ser ut som att galaxen har stora armar som sträcker sig ut från mitten. Vårt solsystem ligger ungefär 27 000 ljusår från Vintergatans centrum. Det tar solen och vårt solsystem mer än 200 miljoner år att färdas ett varv runt galaxens centrum. Det betyder att den senaste gången vi befann oss på ungefär samma plats i Vintergatan som nu hade de första dinosaurierna precis börjat dyka upp på jorden.

Vintergatan innehåller väldigt många stjärnor, kanske mellan 100 och 400 miljarder. Många av dem kan ha egna planetsystem. Nya stjärnor föds fortfarande i galaxens spiralarmar, där stora moln av gas kan dras ihop av tyngdkraften. Och Vintergatan är bara en av många galaxer. I den del av universum som vi kan se finns det hundratals miljarder galaxer. Vår närmaste stora granngalax heter Andromedagalaxen. Om ungefär fyra miljarder år väntas Vintergatan och Andromeda börja smälta samman till en större galax.

Galaxer ligger dessutom inte utspridda helt slumpmässigt. De samlas i stora grupper som kallas galaxhopar. På ännu större avstånd bildar galaxerna och galaxhoparna väldiga strukturer som sträcker sig över miljarder ljusår.

Solen är den stjärna som betyder mest för oss. Den är ungefär 4,6 miljarder år gammal och kommer att fortsätta lysa i flera miljarder år till. Solen är enorm jämfört med jorden. Dess massa är ungefär 330 000 gånger större än jordens och radien är omkring 700 000 kilometer. Om man tänker sig att solen är lika stor som den runda arenan "Globen" i Stockholm, så har jorden en diameter på 65 cm, alltså ungefär som en stor badboll.

På solens yta är temperaturen ungefär 5 500 °C. I kärnan är temperaturen omkring 15 miljoner °C. Jorden ligger ungefär 150 miljoner kilometer från solen. Det avståndet kallas en astronomisk enhet, förkortat AU.

1 AU (astronomisk enhet) = avståndet mellan jorden och solen = 150 miljoner kilometer.

Ljuset från solen färdas med mycket hög hastighet. Trots det tar det ungefär åtta och en halv minut för solljuset att nå jorden. Det betyder också något lite märkligt: om solen plötsligt skulle försvinna skulle vi inte märka det direkt. Först efter ungefär åtta och en halv minut skulle vi märka att solen hade försvunnit från himlen.

I universum finns stora moln av tunn gas. Gasen består framför allt av väte och helium. Ibland blir gasen tätare på vissa platser. Då blir tyngdkraften starkare och drar ihop gasen. När gasen pressas samman blir den också varmare. Så småningom kan så mycket gas samlas att en varm och tät kärna bildas. Den kallas en protostjärna – alltså en stjärna som ännu inte riktigt har tänts.

När mer gas faller in ökar både massan och tyngdkraften. Temperaturen i mitten stiger mer och mer. Om protostjärnan blir tillräckligt tung blir det till slut så varmt i mitten att atomkärnorna slås ihop till större kärnor. Det är det som kallas för fusion. En stjärna har tänts! När vätekärnor slås ihop bildas helium. En liten del av massan omvandlas samtidigt till energi. Den energin gör att stjärnan kan lysa och hålla igång under mycket lång tid. Nu har protostjärnan blivit en riktig stjärna.

Om en klump av gas inte är tillräckligt tung för att fusionen ska komma i gång bildas i stället en brun dvärg. Den blir aldrig en vanlig stjärna.

En stjärna består av mycket het gas som kallas plasma. Längst in i stjärnan finns kärnan och här är temperaturen högstn. Energin som bildas i kärnan tar sig ut mot stjärnans yta. Den transporteras genom stjärnan och når till slut stjärnans yta, som kallas fotosfären. Därifrån strålar ljuset ut i rymden. Utanför ytan finns stjärnans atmosfär. Den består också av plasma och delas in i olika delar, bland annat kromosfären och koronan.

Inne i kärnan omvandlas väte till helium genom fusion, och då frigörs stora mängder energi. Energin hjälper till att hålla stjärnan varm. Energin skapar också ett tryck utåt som gör att stjärnan vill slitas isär. Men stjärnor är stora vilket göra att gravitationen på hela stjärnan blir otroligt stor och på det sättet håller samman den. I en stabil stjärna finns en balans mellan gravitationen och strålningstrycket. Så länge det finns gott om väte i kärnan kan denna balans finnas kvar. Men förr eller senare börjar vätet i kärnan ta slut. Då börjar tyngre atomer slås ihop, och stjärnan förändras. Vad som händer sen beror framför allt på hur stor massa stjärnan har.

När vätet i stjärnan börjar ta slut störs balansen mellan gravitationen och strålningstrycket. Stjärnan är inte längre stabil. Då sväller stjärnan upp och blir en röd jätte. Vår stjärna, solen, är ungefär halvvägs genom sitt liv. Om några miljarder år kommer den att svälla upp till en röd jätte. Solen växa så mycket att Merkurius, Venus och förmodligen också jorden slukas.

Men solen är inte en särskilt tung stjärna. Därmed har den inte kraft att fortsätta slå ihop tyngre och tyngre grundämnen, utan istället kommer bränslet att ta slut, och fusionen avstannar. Tyngdkraften gör då att den innersta delen av solen dras ihop. Kvar blir en liten, tät och het stjärna, en så kallad vit dvärg. Den har inte längre någon fusion i kärnan, men eftersom den fortfarande är mycket varm kommer den att lysa under lång tid. Till slut svalnar den och blir allt svagare.

Stjärnor med mycket större massa än solen går ett våldsammare öde till mötes.

I stora stjärnor kan fusionen fortsätta. Större och större atomkärnorna slås samman och bildar allt tyngre grundämnen. Till slut kan järn bildas i stjärnans kärna. Men här uppstår ett problem. När vi försöker slå ihop järnkärnor får vi inte längre ut energi, det behövs energi istället. Strålningstrycket blir mindre så och stjärnan kan därför inte fortsätta på samma sätt. Tyngdkraften tar över och stjärnans kärna kollapsar. Då frigörs en enorm mängd energi på kort tid, och stjärnan exploderar i en supernova. En supernova kan under en kort tid lysa starkare än en hel galax.

I den här explosionen finns så mycket energi att större atomkärnor är järn kan slås samman och bilda ännu tyngre atomer. Många av de grundämnen som finns omkring oss har bildats i stjärnor som inte längre finns, och i våldsamma händelser som supernovor. Ämnena spreds ut i rymden och har sedan kunnat bli en del av nya stjärnor, planeter och till slut även oss människor.

Ämnena i våra kroppar kan alltså en gång i tiden ha bildats inuti en stjärna.

Bland de märkligaste objekten i universum finns svarta hål. Många svarta hål bildas när mycket tunga stjärnor dör. När stjärnan inte längre kan hålla emot sin egen tyngdkraft kan kärnan pressas ihop mycket kraftigt. I vissa fall bildas då ett svart hål. Trots namnet är ett svart hål inte ett hål i vanlig mening. Det är ett område där så mycket massa finns samlad att tyngdkraften blir extremt stark.

Ju tyngre en himlakropp är, ju större blir dess gravitation. Det krävs mer och mer energi för att kunna lämna himlakroppen. Om tyngdkraften är väldigt stor krävs därför en jättehög hastighet för att kunna åka från himlakroppen. Ju större tyngdkraft, ju högre hastighet behövs. Om tyngdkraften är tillräckligt stor kommer det krävas en hastighet som är lika hög som ljusets hastighet. Blir tyngdkraften ännu större räcker inte ens ljushastigheten och då kallar man himlakroppen för ett svart hål eftersom ingenting slipper ut, inte ens ljuset.

LÄS MER

Ett svart hål är ett område där det finns ofantligt mycket massa samlad otroligt tätt så att tyngdkraften blir så hög att inte ens ljuset kan komma därifrån.

Det finns svarta hål på många ställen i universum. Vissa har skapats när en stjärna dör och andra finns till exempel i centrum av galaxer. Runt ett svart hål finns en gräns som kallas händelsehorisonten. När något väl har passerat händelsehorisonten kan det inte komma tillbaka ut. Inte ens ljus kan ta sig därifrån. Det är därför svarta hål är svarta: inget ljus från innanför händelsehorisonten kan nå oss.

Vi kan använda vår idé om flykthastighet för att få en första förståelse av detta. Om ett föremål pressas ihop tillräckligt mycket blir flykthastigheten till slut så hög att den skulle behöva vara större än ljusets hastighet för att ta sig därifrån. Enligt Einsteins relativitetsteori kan inget färdas snabbare än ljuset. Om vi pressade ihop hela solen till en kula med en radie på ungefär tre kilometer skulle den kunna bli ett svart hål. Solen kommer aldrig att göra det. Den är inte tillräckligt tung för att sluta sitt liv som ett svart hål.

Supermassiva svarta hål

Det finns också svarta hål som är mycket, mycket större än de som bildas när en stjärna dör. I centrum av Vintergatan finns ett sådant svart hål som kallas Sagittarius A*. Det har en massa som är ungefär fyra miljoner gånger större än solens. Hur sådana enorma svarta hål bildades är fortfarande en fråga som forskare försöker förstå. Vi vet att svarta hål kan växa genom att dra till sig gas och annan materia. Två svarta hål kan också slå ihop och bilda ett ännu större svart hål. När två svarta hål kolliderar händer något märkligt. En del av deras massa omvandlas till energi och skickas ut som gravitationsvågor.

Gravitationsvågor

Enligt Einsteins teori är rum och tid inte helt separata. Tillsammans bildar de det som kallas rumtid. Tunga objekt påverkar rumtiden. När mycket tunga objekt rör sig snabbt kan förändringar i rumtiden spridas ut genom rymden som vågor. Dessa kallas gravitationsvågor. År 2015 lyckades forskare för första gången direkt mäta gravitationsvågor från två svarta hål som hade kolliderat. De två svarta hålen hade tillsammans en massa motsvarande ungefär 65 solar. Det nya svarta hålet hade en massa motsvarande ungefär 62 solar. De tre solmassor som saknades hade inte försvunnit. De hade omvandlats till energi och skickats ut som gravitationsvågor.

Hur hittar vi svarta hål?

Svarta hål syns inte direkt. Men vi kan se hur de påverkar det som finns runt omkring dem. I mitten av Vintergatan kan forskare till exempel följa hur stjärnor rör sig runt ett osynligt objekt. Genom att studera deras rörelser kan vi räkna ut att det måste finnas ett mycket tungt objekt där. Vi kan också studera materia och strålning nära svarta hål.

Ett annat sätt är att undersöka hur ljus påverkas av den starka tyngdkraften. Ljus som passerar nära ett tungt objekt kan böjas. Detta kallas gravitationsbrytning. På så sätt kan ett svart hål påverka hur en stjärna längre bort ser ut för oss. År 2019 lyckades forskare med hjälp av Event Horizon Telescope dessutom skapa den första bilden som visade skuggan av ett svart hål. Svarta hål är alltså inte bara något vi kan tänka oss fram till. Vi kan faktiskt upptäcka dem genom de spår de lämnar efter sig.

Temp