Svarta hål punkterar vårt universum

Ingen har någonsin sett ett, Einstein trodde inte att de existerade och Stephen Hawking ägnade en stor del av sitt liv åt dem. Under ett århundrade har universums svarta hål splittrat, fascinerat och mystifierat astrofysikerna. I dag är forskarna överens om att de svarta hålen förekommer runtom i universum, men de är fortfarande fulla av hemligheter.

Shutterstock

Absurt!” utbrast den engelske astronomen och astrofysikern Arthur Eddington när han år 1935 kom fram till förvånande resultat om gravitationen i kollapsande stjärnor.

Under en tid hade Eddington arbetat med matematiska beräkningar av vad som händer med stjärnor av varierande storlek när bränslet tar slut.

Under sitt arbete använde han ekvationer från den allmänna relativitetsteorin, som Albert Einstein utvecklat 20 år tidigare. Eddington kom fram till att en stjärnas kollaps i vissa fall kunde skapa det som vi i dag kallar ett svart hål.

Eddington borde i stället ha utbrustit: ”Heureka!” Hans beräkningar var nämligen helt korrekta. Trots att han själv inte kunde acceptera resultatet var det många andra fysiker som tog till sig det.

Jag har numera en klar uppfattning om varför singulariteter inte existerar i verkligheten.
Albert Einstein i en vetenskaplig artikel år 1939

Under de följande årtiondena visade det sig att varken relativitetsteorin eller föreställningen om svarta hål i universum var rena matematiska spekulationer, utan fysisk verklighet.

I dag vet vi att svarta hål spelar en avgörande roll för de fenomen som vi kan observera runt omkring oss, oavsett om det är i vår egen galax Vintergatan eller i galaxer som ligger miljardtals ljusår ut i universum. Och det är fortfarande relativitetsteorin som är vår bästa nyckel till att förstå dem.

Ett svart hål är en himlakropp med så mycket massa på ett så litet område att gravitationen blir ofattbart stark – ja, så stark att inte ens ljus kan ta sig ut. Det är därför vi kallar den för ett svart hål.

Den första fysikern som använde uttrycket var amerikanen John Wheeler, och året var 1967. Tanken om att gravitationen kan hålla tillbaka ljuset är dock betydligt äldre än så.

För att hitta de första forskarna som arbetade med idén måste vi ta oss ända tillbaka till 1780-talet, 150 år före Eddingtons skeptiska utspel. En av dem var John Michell.

Liksom många andra av den tidens naturforskare hade han teologisk bakgrund, och i sin socken i Thornhill i England skötte han både sin prästgärning och ägnade
sig åt vetenskapliga studier.

Gravitationen vinner över ljuset

John Michell sköt i blindo och träffade mitt i prick

På 1780-talet lade John Michell fram sin teori om mörka stjärnor som var så tunga att ljuset inte kunde ta sig ut. Michell saknade vissa fakta så hans teori var felaktig. Tankarna påminner dock mycket om beskrivningen av ett svart hål.

Einstein trodde inte på sina egna ekvationer

Med sin relativitetsteori från år 1915 uppfann Einstein rumtiden, som beskriver universum i fyra dimensioner. Tunga himlakroppar kröker rumtiden och skapar en gravitationsbrunn. Den kan i princip vara oändligt djup och resultera i en så kallad singularitet, kärnan i ett svart hål. Einstein trodde dock inte att den förekom i verkligheten.

Präst kläckte idén om svarta hål

John Michell red på den våg av matematiskt tänkande som Isaac Newton satte i gång hundra år tidigare med sin gravitationslag, enligt vilken de krafter som håller planeterna i omloppsbana runt solen är samma krafter som fick hans berömda äpple att falla till marken.

På Michells tid var det vanligt att se på ljus som partiklar med massa, liksom övriga partiklar. Det fick honom att fundera på vad som händer med ljuset när det sänds ut från en stjärna.

Om stjärnan var stor nog skulle ju gravitationen påverka ljuspartiklarna och bromsa dem, och om stjärnan var ännu större skulle de inte kunna ta sig ut överhuvudtaget. En sådan himlakropp kallade Michell en ”mörk stjärna”. Han tänkte att det måste finnas ett stort antal enorma stjärnor som vi inte kan se på grund av att ljuset inte kan lämna dem.

Det var en rimlig slutsats, och på många sätt påminner Michells tankar om vår tids föreställningar om de svarta hålen, men förutsättningarna för dem var inte korrekta. Han saknade kunskaper inom framför allt tre områden.

För det första antog han att ljus har massa och kan påverkas av gravitationen; i dag vet vi att ljuset inte har någon massa.

För det andra visste Michell inte att stjärnor av den storlek som han föreställde sig är för instabila för att kunna existera; i dag vet vi att de skulle kollapsa och bilda ett svart hål.

För det tredje saknade Michell en djupare förståelse av hur gravitationen fungerar; i dag har vi tack vare Einsteins allmänna relativitetsteori en helt annan bild av sambanden mellan massa, rum, tid och ljus.

Forskarna har kartlagt de svarta hålens anatomi

1 / 4

undefined

1234

Dagens astrofysiker tror att alla svarta hål är uppbyggda på samma sätt. De kan ha olika massa och deras rotation kan variera, men i övrigt består de – inifrån och ut – av en singularitet (1), en händelsehorisont (2), en ergosfär (3) och en tillväxtskiva (4).

Einstein gav universum en ny formel

Einsteins teori innehåller så kallade fältekvationer, som beskriver rymden på ett helt annat sätt än vår normala upplevelse av den. I vår vardag upplever vi omvärlden i tre fysiska dimensioner, men i Einsteins universum ingår tiden som en fjärde dimension så att vi får ett fyrdimensionellt kontinuum, rumtiden.

Det är väldigt svårt att föreställa sig ett fyrdimensionellt rum. Därför illustreras rumtiden normalt genom att man kokar ner de fyra dimensionerna till två, så att vi får en bild av en tvådimensionell skiva eller duk.

Alla himlakroppar med massa påverkar rumtiden och får den att krökas. Det kan vi illustrera genom att himlakroppen tynger ner duken och skapar en fördjupning. Kortfattat har vi följande täta koppling mellan massa och rumtid

• Massan påverkar rumtiden och bestämmer hur den ska krökas.
• Rumtiden påverkar massan och bestämmer hur den ska röra sig.

Om vi tar vår egen jord som exempel kan vi se framför oss att planetens massa skapar en skålformig fördjupning i rumtiden. Denna fördjupning illustrerar gravitationsfältet.

Anledningen till att månen kretsar runt jorden är alltså att den ”rullar” längs fördjupningens kant. Ju tyngre en himlakropp är, desto djupare blir skålen eller fördjupningen runt den.

I Einsteins fältekvationer kan fysikerna sätta in olika storheter och se vilken effekt det skulle ha på rumtiden. Om de exempelvis ger en ytterst liten himlakropp väl­ digt stor massa blir krökningen av rumtiden så kraftig att himlakroppen skapar en djup brunn, en så kallad gravitationsbrunn.

Om den tunga himlakroppen är ännu mindre, så att den knappt har någon rumslig utbredning alls, händer något ännu märkligare. Då blir gravitations­ brunnen så djup att Newtons klassiska gravitationslag upphör att gälla.

En singularitete är mitten i en gravita­ tionsbrunn som är oändligt djup, och det är exakt den situationen som uppstår i ett svart hål.

Sant om svarta hål

En partikel som kommer alltför nära ett svart hål sugs in bortom den så kallade händelsehorisonten. När det sker förlorar vi all kontakt med den. Vi kan inte längre se eller på något annat sätt få veta vad som händer med den.

Einstein tvivlade på sin egen teori

Att det över huvud taget kan ske var den tyske fysikern Karl Schwarzschild först med att inse. Redan år 1915, samma år som Einstein publicerade sin allmänna relativitetsteori, kastade Schwarzschild sig över fältekvationerna och hittade lösningar som ledde till singulariteter.

I årtionden betraktades dock Schwarzschilds resultat som ett matematiskt kuriosum utan koppling till verkligheten. Inte ens Einstein själv trodde att de kunde existera. Så sent som år 1939 publicerade han en vetenskaplig artikel i vilken han genom sinnrika matematiska argument kom fram till sin slutsats:

”Resultatet av denna studie skapar en tydlig förståelse av varför Schwarzschildsingulariteter inte existerar i den fysiska verkligheten.”

Einstein var alltså skeptisk till konsekvenserna av sin egen teori – fullt begripligt, för med singulariteten följer en lång rad närmast oöverskådliga följder.

Saker kan mycket väl ta sig ut ur ett svart hål, både till dess yta och eventuellt till ett annat universum.
Stephen Hawking under en föreläsning år 2015

I en singularitet är gravitationen så stark att ingenting, inte ens ljuset, kan ta sig ut. Trots att ljuset inte har någon massa påverkas det nämligen av gravitations­ fältet. Ljuset följer krökningarna i rumtiden och kan följaktligen fångas i gravitationsbrunnen på samma sätt som materia som kommer för nära.

På samma sätt som en raket behöver en viss hastighet för att lämna jordens gravitationsfält (11 000 meter per sekund) behöver ljus och materia ha fart för att kunna lämna gravitationsbrunnen runt ett svart hål. Detta kallas flykthastighet.

I vårt universum finns det emellertid en övre gräns för hur hög hastighet någonting kan uppnå. Ingenting kan röra sig snabbare än ljusets hastighet, 299 792 458 meter per sekund. Om något befinner sig så nära singulariteten att flykthastigheten överstiger denna kosmiska fartgräns kan det aldrig komma ut.

Runt ett svart hål finns därför en tydligt avgränsad sfär från vilken inte ens ljus kan ta sig ut.

Sfärens gräns kallas händelsehorisonten. Vi kommer aldrig att kunna se vad som händer innanför denna gräns. I gengäld finns det gott om saker att begrunda strax utanför händelsehorisonten.

Densiteten får tiden att stanna

Om vi föreställer oss att vi skulle skicka en rymdraket mot ett svart hål skulle något bisarrt hända. Då skulle vi se raketen närma sig det svarta hålet i allt snabbare takt ända tills den når händelsehorisonten.

Vid den tidpunkten förlorar vi all kontakt med raketen och kan inte längre se vad som händer med den. Anledningen till det är att ljuspartiklarna inte kan ta sig ut ur händelsehorisonten. Därmed är all information om rymdskeppets öde otillgänglig för oss.

Men det är inte bara ljuset som beter sig underligt, utan också tiden.

En klocka ombord på raketen hade gått allt långsammare i takt med att raketen närmade sig det svarta hålet – oavsett om det rörde sig om ett mekaniskt ur, ett digitalur eller ett atomur.

Detta fenomen kallar fysikerna tidsdilation. Fenomenet uppstår för att massan i det svarta hålet inte bara förvränger rymden, utan också rumtiden. Det innebär att själva tiden bokstavligt talat dras ut. Inuti det svarta hålet stannar tiden helt, och därför kan ett svart hål betraktas som ett hål i rumtiden.

När raketen fortsätter bortom händelsehorisonten och sväljs av singulariteten läggs raketens massa till den i det svarta hålet, som blir ännu lite tyngre.

Den ökade massan gör att även händelsehorisonten utvidgas, och det är just så ett svart hål växer. Ju mer materia det sväljer, desto tyngre blir det och desto större blir det område i rymden som vi inte kan veta något om.

De små har bildats av döda stjärnor

Svarta hål med en massa från fem till hundra solmassor har bildats av stjärnor som brunnit ut och kollapsat. De finns runtom i galaxerna, även i vår egen.

De stora föds i nya galaxer

Ett svart hål som väger miljontals eller kanske miljardtals gånger mer än solen kallas ett supertungt svart hål. Det har skapats tillsammans med den galax i vilken det utgör centrum.

Alla dessa konsekvenser är en följd av Einsteins allmänna relativitetsteori, men de konkreta exemplen skulle nog se lite annorlunda ut i verkligheten. Då inverkar nämligen även andra förhållanden nära händelsehorisonten.

Det viktigaste är det svarta hålets rotation. Om ett svart hål roterar har det stor betydelse för vad som händer med området strax utanför händelsehorisonten.

År 1963 lyckades den nyzeeländske matematikern Roy Kerr komma fram till en exakt lösning av Einsteins fältekvationer för ett roterande svart hål, så vi har en bra bild av ett roterande svart håls anatomi.

Astrofysikerna tror i dag att alla svarta hål har en viss rotation som hör ihop med det sätt på vilket de bildas. Svarta hål kan bara uppstå när en stor mängd materia kollapsar under sin egen gravitation. Det kan ske när en stor stjärna har använt allt sitt bränsle.

Så länge stjärnan håller liv i fusionsprocesserna skapar den en utåtriktad strålningskraft i sitt inre som motverkar gravitationen, men när stjärnan slocknar får gravitationen fritt spelrum och pressar samman stjärnans materia.

Ju större massa stjärnan har, desto starkare är gravitationen och desto kompaktare blir materian. När vår egen sol brinner ut om cirka fem miljarder år kommer gravitationen att krossa atomerna, så att elektronerna lämnar atomkärnorna.

Materian blir då så kompakt att solen slutar som en så kallad vit dvärg. Den är inte tung nog för att sluta som ett svart hål.

En stjärna som väger flera gånger så mycket som vår sol blir mer kompakt när den brinner ut. Då är gravitationen så stark att elektronerna och atomkärnorna smälter samman och övergår till neutroner. Resultatet är en neutronstjärna.

Stjärnor som är ännu större än fem gånger solens vikt kan kollapsa till ännu kompaktare himlakroppar. Då klarar inte ens neutronerna att stå emot trycket. Resultatet blir ett svart hål, exakt vad Eddington till sin stora förvåning räknade ut år 1935.

Rumtiden snurrar som en konståkare

Den kollapsande stjärnan har en inbyggd rotationsrörelse som har sitt ursprung i tiden då stjärnan bildades av roterande gasmoln. Rotationen bevaras trots att materian pressas samman. Faktum är att den blir ännu snabbare.

Det beror på samma fysiska lagar som påverkar en konståkare som gör en piruett. När konståkaren sträcker ut armarna åt sidorna blir rotationen långsam, men så snart hen håller in armarna mot kroppen ökar rotationshastigheten.

Likadant är det med svarta hål. Nära händelsehorisonten är rotationen så snabb att alla partiklar, även ljuspartiklar, tvingas med i rotationen. Där kan ingenting stå stilla, för rumtiden själv roterar runt det svarta hålet.

Vi kan föreställa oss att rumtidens ”duk” där nere i gravitationsbrunnen vrids runt singulariteten. Denna del kallas ergosfären, och den är helt avgörande för de fenomen vi kan iaktta runt svarta hål.

Om vi hade skickat in någon mot ett roterande svart hål, exempelvis en astronaut, hade vi fått se ett betydligt mer dramatiskt scenario än konståkarens piruett.

Gravitationen blir extremt mycket starkare för varje meter astronauten närmar sig. Om hen har benen närmast det svarta hålet blir påfrestningarna på benen betydligt större där än på huvudet. Först dras fötterna, sedan benen och därefter resten av kroppen ut till någonting som liknar spagetti.

Samtidigt blir rotationen i ergosfären snabbare och snabbare medan han närmar sig händelsehorisonten. Kroppen dras runt i en spiral och vrider sig kring det svarta hålet som spagetti runt en gaffel. Slutligen suger det svarta hålet i sig spagettin, men som tur är har vår astronaut vid det laget sedan länge slutat känna något.

Lyckligtvis är det bara ett tänkbart scenario. I den verklighet som vi kan iaktta runt svarta hål är det damm, atomer och elementarpartiklar som drabbas. Det är mindre makabert men minst lika spektakulärt.

All materia som närmar sig ett svart hål tvingas in i rotationen, vilket gör att det bildas en skivformig struktur runt hålet, en så kallad tillväxtskiva.

Ju närmare materian kommer det svarta hålet, desto snabbare rör den sig runt i tillväxtskivan.

Rotation förvandlar materia till energi

Det finns enorma mängder rörelseenergi i tillväxtskivan, vilket har fått vissa astrofysiker att spekulera kring om det kanske kommer att vara möjligt att utvinna delar av energin och på så sätt använda ett svart hål som en sorts motor.

Fysikern Roger Penrose var först med tanken år 1971. Hans idé var att om man slungade en mängd materia mot ett roterande svart hål på ett sätt så att delar av den slungades ut igen, så skulle den ha mer energi än den hade från början.

Energin skulle komma från ergosfären strax utanför händelsehorisonten och processen skulle därmed försvaga det svarta hålets rotation. I princip kan man på så sätt utvinna ofantliga mängder energi ur svarta hål.

Roger Penroses idé är bara ett tankeexperiment och inte någon praktisk lösning på vår tids energikris, men hans tankar har inspirerat andra astrofysiker att titta närmare på dynamiken i den materia som virvlar runt i tillväxtskivan nära ett svart hål.

Materian som befinner sig närmast hålet har högre hastighet än den som rör sig i större banor. Skillnaden i hastighet innebär att det uppstår friktion, vilket sänker farten något på den innersta materian och ökar den en aning på materian längre ut. Samtidigt utvecklas värmeenergi i processen, som avges som strålning.

Sant om svarta hål

En partikel som kommer alltför nära ett svart hål sugs in bortom den så kallade händelsehorisonten. När det sker förlorar vi all kontakt med den. Vi kan inte längre se eller på något annat sätt få veta vad som händer med den.

Om det svarta hålet har en väldigt snabb rotation kan materian längst in i ergosfären bli så varm att den avger röntgenstrålning som motsvarar temperaturer på tio miljoner grader. Vi känner inte till någon annan process i universum som förvandlar massa till energi på ett så effektivt sätt.

Omvandlingen av massa till energi sker i enlighet med Einsteins berömda ekvation E = mc2, där E står för energi, m för massa och c är ljusets hastighet. Faktum är att beräkningar visar att ända upp till 42 procent av materian nära ett svart hål därmed kan omsättas till energi.

Processen är samtidigt drivkraften bakom ett av de mest spektakulära fenomen vi kan observera i universum: Kvasarerna. Kvasarer är de kraftigaste ihållande energiurladdningar vi känner till. De avger stark strålning i hela det elektromagnetiska spektrumet, det vill säga från långvågig radiostrålning via synligt ljus till kortvågig röntgenstrålning.

Kvasarerna skapas av stora svarta hål i mitten av galaxer långt från vår egen galax Vintergatan och de omsätter enorma mängder materia.

Tack vare stora radioteleskop på jorden och satelliter som Chandra, som gör mätningar i röntgenvågsområdet, har astronomerna under de senaste årtiondena fått bättre möjligheter att studera strukturerna kring kvasarerna.

Från området i närheten av en kvasars svarta hål slungas det ut två kraftfulla strålar av energirik plasma, det vill säga laddade partiklar som är mindre än atomer. De kan ha hastigheter som närmar sig ljusets och nå tusentals ljusår ut i rymden.

De båda strålarna skjuts ut från tillväxtskivans inre kant, och det sker vinkelrätt mot skivan i vardera riktning. Det är samma struktur som astronomerna kan se vid de så kallade mikrokvasarer som finns betydligt närmare oss, nämligen spridda i vår egen galax. Även mikrokvasarer drivs av svarta hål, men de är betydligt mindre.

Det svarta hålet i en mikrokvasar har en massa som motsvarar en handfull solmassor, och det skapas normalt av en kollapsande stjärna. Som jämförelse kan en ”äkta” kvasar ha ett svart hål med en massa som är hundratals miljoner gånger större.

Stort antal upptäckter

Trots att astronomerna inte kan iaktta ett svart hål direkt gör de hela tiden nya upptäckter om universums mest gåtfulla fenomen.

  • 2018

    Astronomer observerar för första gången ett ”rap” från ett svart hål, det vill säga
    ett kortvarigt men kraftigt utsläpp av gas från tillväxtskivans

  • 2017

    Det hittills äldsta svarta hålet finns i en kvasar som ligger 13 miljarder ljusår bort.

  • 2016

    Astronomer upptäcker ett ultratungt svart hål på 21 miljarder solmassor, vilket är ett nytt rekord.

  • 2015

    För första gången lyckas astronomer mäta så kallade gravitationsvågor till följd av att två svarta hål smälter samman. Det sker i samband med hundraårsjubileet för Einsteins allmänna relativitetsteori, som förutsade just gravitationsvågor i rumtiden.

  • 2014

    Forskare finner bevis för att kraftfulla strålar i ett svart hål skapas av hålets egen rotation.

Svarta hål äter kopiöst mycket

Studierna av kvasarer och mikrokvasarer förändrar den traditionella bilden av ett svart hål som en himlakropp som slukar allt i sin närhet. Astrofysikerna tror i dag att bara en bråkdel av den materia som dras in mot ett svart hål faktiskt slukas av det.

Vissa tror att det rör sig om cirka tio procent, andra att det är en något större andel – och för övrigt varierar det sannolikt från hål till hål.

Det råder dock enighet om att en mycket stor andel av materian aldrig hinner ta sig in bakom händelsehorisonten innan den slungas bort från tillväxtskivan eller spottas ut som plasma i de kraftfulla strålarna. Så visst är svarta hål glupska, men man kan också säga att de har ganska dåligt bordsskick.

Ett svart hål kan mycket väl vara stort utan att det slutar som en kvasar. Det gäller exempelvis det svarta hålet i Vintergatans mitt. Genom att studera kretsloppet på ett antal stjärnor som ligger relativt nära Vintergatans centrum kan man räkna ut hur stor massa hålet har.

Uträkningen förutsätter att man känner till stjärnornas så kallade spektraltyp och därmed deras massa. Om man också känner till banornas storlek och stjärnornas omloppstid är det ganska enkelt att kommer fram till ett resultat. Oberoende forskargrupper har gjort beräkningen vid flera tillfällen, så i dag är vi tämligen säkra på att det svarta hålet i Vintergatans mitt väger något mer än fyra miljoner gånger så mycket som solen.

Det svarta hålet i Vintergatans centrum och de svarta hålen som vi ser som kvasarer i mitten av avlägsna galaxer skapas inte av kollapsande stjärnor. Astrofysikerna tror att dessa så kallade supertunga svarta hål har bildats samtidigt som galaxerna runt omkring dem har tagit form.

Det innebär att de svarta hålen inte bara är spektakulära fenomen i den kosmiska era i vilken vi nu lever, utan att de har varit en drivande kraft bakom utvecklingen av universum så som vi känner det.

Fysiker saknar förlorad information

Det är stor skillnad på hur aktiva de svarta hålen i galaxernas mitt är. Det svarta hålet i Vintergatans mitt är förhållandevis lugnt. Det drar förmodligen ”bara” till sig en mängd materia som motsvarar cirka 300 jordklot om året.

Vi vet inte vad som händer med den del av materian som slukas av det svarta hålet eftersom inte ens ljus kan ta sig ut därifrån – och ljus är som regel bärare av all information. Därför vet vi inte heller något om av vilken materia det svarta hålet ursprungligen bildades.

Det enda som kännetecknar ett svart hål är dess massa och rotation.

Den amerikanske fysikern John Wheeler har uttryckt det med meningen: ”Svarta hål har inget hår.” Bakom de orden ligger iakttagelsen att när vi karakteriserar en annan människa så kan bara håret säga ganska mycket om personen.

Färgen och strukturen kan säga något om personens ålder och etniska ursprung, frisyren något om personens kön och kultur och så vidare. De svarta hålen döljer emellertid all information om deras ursprung, innehåll och historia.

Svarta hål har inget hår. Det sa den amerikanske fysikern John Wheeler om det förhållandet att alla svarta hål liknar varandra. Det finns ingen skillnad på dem utöver deras massa och spinn.

Just informationsförlusten i svarta hål är ett ämne som har förbryllat fysiker i årtionden. Den gängse uppfattningen har varit att i samma stund som mate­ rian slukas av ett svart hål så är all information om den borta för all framtid. Men en teori som lades fram av den brittiske fysikern Stephen Hawking har eventuellt ställt en dörr på glänt.

Bakgrunden står att finna i ett fenomen som följer av Heisenbergs osäkerhetsprincip som innebär att det till och med i tomma rymden, i absolut vakuum, kan uppstå partiklar ur ingenting. Enkelt uttryckt ”lånas” tillräckligt mycket energi för att skapa en partikel och dess motsvarande antipartikel.

Ögonblicket senare utplånar de emellertid varandra igen, vilket innebär att energilånet betalas tillbaka. Denna aktivitet sker hela tiden och vi kan till och med mäta den.

Men vad händer om ett sådant par virtuella partiklar skapas i närheten av ett svart håls händelsehorisont och den ena partikeln slukas, medan den andra kommer undan innan de hinner utplåna varandra? Då har vi plötsligt en situation där energilånet inte går att betala tillbaka.

Området utanför det svarta hålet har blivit en partikel rikare och har därmed tillförts energi. För att räkenskaperna ska stämma måste partikeln som slukades ha tillfört det svarta hålet en motsvarande mängd negativ energi. Och eftersom massa och energi är förbundna, enligt ekvationen E = mc2, är slutresultatet att det svarta hålet har tillförts negativ massa och därmed blivit mindre.

När vi observerar det svarta hålet från långt håll upplever vi att det avger partiklar och alltså inte är helt svart. Partiklarna utgör det som kallas Hawkingstrålning.

Sedan år 1974, då Stephen Hawking lade fram sin teori, har andra fysiker funderat på om Hawkingstrålningen möjligen kan bära på information om ett svart håls inre och att vi därmed i princip kan återskapa detaljerna om vilken materia som har slukats genom tiderna.

Faktum är att spekulationerna föranledde ett berömt vad. Amerikanen John Preskill trodde att Hawkingstrålningen kunde innehålla den här informationen, medan Hawking själv betraktade det som omöjligt. År 2004 blev dock Hawking övertygad om att Preskill förmodligen hade rätt, så han valde att erkänna sig besegrad och överlämnade vinsten åt Preskill: ett basebollexikon.

Diskussionen är dock långt ifrån över. Man har ännu inte lyckats mäta Hawkingstrålning från ett svart hål, och det gör att vi inte avgöra om den innehåller någon information.

Om Hawkingstrålningen existerar öppnar den också för helt andra möjligheter. Den skulle innebära att svarta hål kan förångas och alltså med tiden försvinna.

Ett svart hål som inte längre tillförs materia utifrån kommer genom Hawkingstrålningen gradvis att förlora massa och bli allt mindre och lättare, för att slutligen upphöra med ett stilla: ”Plopp!” Enligt Hawkings teori skulle den processen ske snabbare för små svarta hål än för stora.

Hawkings tankar är ett bra exempel på hur stora utmaningar den teoretiska fysiken ställs inför. De teoretiska och matematiska möjligheterna sträcker sig i många fall betydligt längre än det som vi kan testa med experiment och observationer.

En fysisk teori kan vara oerhört fängslande men senare visa sig vara helt fel eftersom den bygger på felaktiga förutsättningar. Omvänt kan en teori som framstår som exotisk och strider mot all intuition visa sig vara förbluffande korrekt.

Einsteins allmänna relativitetsteori har under ett århundrade gång på gång visat sin styrka, inte minst i sin förutsägelse av de svarta hålen – trots att Einstein faktisk inte ens själv trodde att de existerade.

Ett svart hål är fysikens lekplats

I teorin kan ett svart hål (1) vara kopplat till ett så kallat vitt hål (2) någon helt annanstans i universum. Denna förbindelse, ett så kallat maskhål (3), öppnar för möjligheten att ta genvägar genom både tid och rum.

Relativitetsteorin är pressad till det yttersta

Ekvationerna i Einsteins teori öppnar för möjligheter som kan vara svåra att acceptera.

Tillsammans med sin student Nathan Rosen kom Einstein redan på 1930-talet fram till att rumtiden i teorin kunde krökas så mycket att två områden som annars ligger väldigt långt ifrån varandra kan bindas samman av en liten bro, ett så kallat maskhål.

Denna idé har inspirerat många science fictionförfattare till att låta sina huvudpersoner korsa enorma avstånd i rymden på mycket kort tid. På så sätt har maskhål varit källan till de mest otroliga historier.

Om maskhål verkligen existerar och kan upprätthållas under längre perioder skulle de faktiskt uppvisa ännu mer bisarra egenskaper. Inte nog med att de ger möjlighet för kosmiska genvägar genom rymden, de låter oss också resa bakåt i tiden.

Vi skulle kunna röra oss i slutna tidsringar där framtiden även är det förflutna. År 1949 beskrev den österrikiskamerikanske matematikern Kurt Gödel ett universum som innehöll exakt den typ av tidsringar som gick igenom samma händelser om och om igen i en ändlös cykel.

I en sluten tidsring skulle det även vara möjligt att döda sina egna far och morföräldrar innan dessa fick ens föräldrar. På så sätt ger maskhål och tidsringar upphov till alla de paradoxer som är förknippade med tidsresor.

Det finns ingenting i relativitetsteorin som utesluter maskhål, men det innebär inte att de verkligen förekommer i vårt universum. Eventuellt finns det några ännu okända naturlagar som helt enkelt inte tillåter dem.

Stephen Hawking, som trodde att det nog förhåller sig så, har kallat det ett ”antagande om skydd av kronologin”. Typiskt nog för Hawking har han samtidigt humoristiskt kallat antagandet för den princip som gör universum till en säker plats för historiker.

Relativitetsteorin öppnar för möjligheten att det i samband med svarta hål kan finna stängda "tidsringar" där dåtiden också är framtiden. I en stängd tidsring upplever du samma sak om och om igen i all evighet.

Därmed inte sagt att Hawking generellt förhöll sig avvisande till exotiska möjligheter i universum, och absolut inte när det gällde föreställningar om vad som händer i svarta hål. Som han sa under en föreläsning år 2015:

”Svarta hål är inte så svarta som de ofta framställs. De är inte de eviga fängelser vi en gång trodde. Saker kan mycket väl ta sig ut ur ett svart hål, både till dess yta och eventuellt till ett annat universum. Så om du upplever att du befinner dig i ett svart hål, ge inte upp. Det finns en väg ut.”

Detsamma gäller förhoppningsvis för astrofysikerna i deras strävan att förstå de svarta hålens innersta natur.

Just nu måste vi medge att de svarta hålen inte bara punkterar universum, utan också våra kunskaper om det. Einsteins relativitetsteori pressas till det yttersta när forskarna försöker beskriva vad som händer i singulariteten bakom händelsehorisonten.

De svarta hålen representerar både det allra största och det allra minsta vi kan föreställa oss, en obegripligt stark gravitation samlad på ett försvinnande litet om­ råde i rymden. Just här, i singulariteten, möts relativitetsteorin och kvantmekaniken, de två stora fysiska teorierna som man ännu inte har lyckats förena.

Överst på astrofysikernas önskelista står en teori om kvantgravitation som förenar dem. Innan denna önskan upp­ fylls kommer de svarta hålen att förbli universums största mysterium.

Läs också:

Vetenskapshistoria

Förlamat geni har retats med världen i 76 år

4 minuter
Black hole 11/14
Svarta hål

Stjärnor skvallrar om svarta hål

2 minuter
svart hål
Svarta hål

3 otroliga sanningar om svarta hål

1 minut
Mest populära

Logga in

Fel: Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
VisaDölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!