Sort hul

Svarte hull kaster opp

I femti år har forskerne ment at ingenting kan slippe unna et svart hull når det først har krysset hendelseshorisontens mur av energi. Men det er kanskje feil. Svarte hull sluker alt rundt seg, men noen ganger spytter de ting ut igjen.

I femti år har forskerne ment at ingenting kan slippe unna et svart hull når det først har krysset hendelseshorisontens mur av energi. Men det er kanskje feil. Svarte hull sluker alt rundt seg, men noen ganger spytter de ting ut igjen.

Shutterstock

Hva skjer hvis du faller ned i et svart hull? Du vil dø, det er sikkert og vist – men hvordan? Blir du strukket ut til en lang spagetti og slukt partikkel for partikkel? Spytter det svarte hullet ut litt av deg underveis i måltidet? Eller skjer det noe helt annet?

Et av universets mest gåtefulle fenomener har opptatt forskerne i et århundre og skapt vitenskapelig strid mellom verdensberømte fysikere som Albert Einstein, Niels Bohr og Stephen Hawking.

Nå har spørsmålet om hva som egentlig skjer ved kanten til det svarte hullets indre, den såkalte hendelseshorisonten, fått ny næring og nærmer seg kanskje en løsning takket være fysikere ved blant annet Princeton og University of California.

Brannmurteorien bygger på at alt som nærmer seg et svart hull, møter en mur av energi ved den såkalte hendelseshorisonten.

Forskerne har klart å bygge bro mellom Einsteins relativitetsteori og Hawkings poenger om kvantemekanikk ved å se nærmere på teorier om ormehull. Blant annet gjelder det hvordan partikler inne i svarte hull kan være sammenfiltret med partikler utenfor.

Teorien bygger videre på den såkalte brannmurteorien fra 2012, som forklarer at alt som nærmer seg et svart hull, møter en mur av energi ved den såkalte hendelseshorisonten. Her vil en usynlig konsentrasjon av partikler få personen eller romskipet til å «brenne opp» og bli til aske. Men den teorien hadde store mangler, og derfor har forskerne nå oppdatert den.

Vi mangler en teori om alt

Å reise inn i et svart hull virker fjernt fra hverdagen vår, men dette tankeeksperimentet er viktig for fysikerne fordi svarte hull – fordi de er så ekstreme – utgjør selve slagmarken mellom de to dominerende strømningene i fysikken – relativitetsteorien og kvantemekanikken. Fysikerne har kjempet for å forene dem i omkring hundre år.

Fysikerne snakker nettopp om paradokser, for det er massevis av konflikter mellom kvantemekanikken og relativitetsteorien. Forskernes løsning på paradokset er ikke uten kritikere, og de må bringe mange ulike teorier i spill – blant annet om ormehull – for å få regnskapet til å gå opp.

Albert Einsteins relativitetsteori forklarer at svarte hull er så ekstreme at de på grunn av sin enorme massetetthet ikke lar noe slippe unna, heller ikke lys. Men i 1974 foreslo Stephen Hawking at svarte hull ikke spiser alt: De sender blant annet ut kvantepartikler. Den teorien er i dag bredt anerkjent. Partiklene som slipper unna, ble døpt hawkingstråling.

En av Hawkings egne studenter, fysikeren Don Page, viste i sin tid at partikkelen på vei vekk fra det svarte hullet nødvendigvis må være det fysikerne kaller sammenfiltret. Det er altså en forbindelse mellom den hawkingstrålingen som har forlatt det svarte hullet, og den delen som har blitt slukt av det svarte hullet.

Einstein skapte den spesielle og den generelle relativitetsteorien i 1905 og 1915 og er en av de tidlige hovedpersonene i teorien om svarte hull. Parallelt utviklet fysikere som Niels Bohr og Erwin Schrödinger kvantemekanikken. De to teoriene kom til å dominere fysikken, men på hver sin måte.

En av Einsteins store innsikter i den generelle relativitetsteorien var at massen til planeter og stjerner bøyer romtiden – slik en bowlingkule som legges på et utstrakt laken, tynger det ned i midten. Det er det vi opplever som tyngdekraft.

I den motsatte enden beskriver kvantemekanikken de minste bestanddelene i verden, for eksempel atomkjerner, fotoner og elektroner. De oppfører seg mye mer mystisk enn selv den mest kreativt tenkende fysiker kunne forestille seg.

Et eksempel er såkalt superposisjon, der partikler er to ulike steder samtidig. To partikler kan også være en slags speilinger av hverandre selv om de er fysisk atskilt av enorme avstander – det er dette som kalles sammenfiltring.

Einstein og Hawking

Albert Einstein (t.v.) og Stephen Hawking har med nesten 70 års mellomrom lansert ulike teorier om svarte hull. I mangelen på en «teori om alt» blir begge teoriene fortsatt brukt den dag i dag.

© F Schmutzer & Geoffrey Robinson/Shutterstock/Ritzau Scanpix

Siden 1920-tallet har fysikerne kjempet med å samle relativitetsteorien og teorien om kvantemekanikk i én teori om kvantegravitasjon i stedet for to atskilte teorier som virker hver for seg. Selv om Einstein bidro betydelig til utviklingen av kvantemekanikken, var han likevel skeptisk til flere av kvantemekanikkens egenskaper, som da heller ikke virker logiske sett med hverdagsbriller – blant annet sammenfiltring, som han kalte «spøkelsesaktig».

Ormehull er en del av løsningen

I løpet av 1900-tallet utgjør svarte hull selve frontlinjen mellom relativitetsteorien og kvantemekanikken. De mystiske kosmiske fenomenene presser både tyngdekraften og kvantemekanikken til det ytterste.

Her ble Stephen Hawkings informasjonsparadoks for svarte hull fra 1974 en viktig milepæl. I paradokset undersøker Hawking sammenfiltrede «partikkelpar», altså partikler som tross fysisk avstand fortsatt har forbindelse med hverandre, ved et svart hulls «point of no return», også kjent som hendelseshorisonten.

De kvantemekaniske partikkelparene står altså med ett bein på hver side av selve hendelseshorisonten. De to partiklene vil bli revet fra hverandre, og den ene blir slukt av det svarte hullet, mens den andre slipper unna som såkalt hawkingstråling.

Derav paradokset: Det svarte hullet vil ifølge kvantemekanikken «fordampe» over tid, og dermed vil det etterlate den unnslupne partikkelen i kvantemekanisk sammenfiltring med – ingenting.

VIDEO: Få forklart hva singulariteten gjør med oss i et svart hull

Men fysikerne har klart å bringe Einstein og Hawking, og dermed relativitetsteorien og kvantemekanikken, nærmere hverandre. Ormehull, som kan betraktes som en slags tunneler mellom to gjenstander i universet, for eksempel svarte hull, er nemlig ikke i strid med relativitetsteorien. Og forskerne har de siste årene funnet ut at kvantemekanikkens sammenfiltring og ormehull kan være ett og samme fenomen, bare beskrevet med to ulike teorier.

Brannmurteori er et veiskilt

Teorien om en brannmur kan hjelpe forskerne videre. Det mener den teoretiske fysikeren Ahmed Almheiri, som er en av forskerne som står bak brannmurparadokset. Han arbeider til daglig ved Princeton Institute for Advanced Study, der også Albert Einstein forsket fra 1933 til 1955.

«Brannmurparadokset sier at en partikkel på utsiden av hendelseshorisonten bare kan være sammenfiltret med en partikkel langt unna i strålingen (fra det svarte hullet, red.), men også bare kan være sammenfiltret med partneren sin inne i det svarte hullet», sier Almheiri om teorien som han formulerte sammen med kolleger i 2012.

«Brannmurparadokset er et veiskilt som peker i retning av vår uvitenhet om de svarte hullenes sanne natur. Vår nyeste forskning tyder på at selve romtidens natur er avhengig av sammenfiltringen mellom ulike deler av romtiden. Dermed er det svarte hullets indre i en viss forstand ’nær’ den strålingen som ellers er langt fra det svarte hullet», sier Almheiri.

© Mark Garlick/SPL

Ormehull er universets tunneller

Ut av Einsteins relativitetsteori kommer teorien om ormehull – et svart hull som skaper en tunnel til et annet sted i universet eller et helt annet univers.

Tunnel skaper snarvei

Ifølge Einstein er ormehull snarveier gjennom den firedimensjonale romtiden som forbinder to atskilte områder av universet. Den grønne pilen illustrerer den noe lengre veien et romskip eller måtte ha reist gjennom verdensrommet.

Ormehull kan forklare sammenfiltring

Ifølge kvantemekanikken kan svarte hull være forbundet ved hjelp av ormehull. Teorien har flere paradokser, men den forsøker å forklare hvordan partikler og antipartikler fortsatt kan være sammenfiltret og dermed forbundet.

Så hva betyr det for opplevelsen av å reise inn i et svart hull og hele veien inn til kjernen, som kalles singulariteten? En astronaut om bord på et romskip blir likevel ikke brent i stykker av en mur av ild ved hendelseshorisonten, slik paradokset opprinnelig forutsa, forklarer Almheiri.

Løsningen på brannmurparadokset tyder imidlertid på at det ikke er noen konflikt med Einsteins oppfatning. I stedet for en glovarm skjebne vil romskipet og astronauten ikke merke noe særlig før hendelseshorisonten passeres og han eller hun og romskipet langsomt blir strukket ut som spagetti på vei mot singulariteten.

I dag vet vi at svarte hull er virkelige gjenstander, og at det sannsynligvis er massevis av dem i universet. Det ble blant annet bekreftet med et historisk bilde fra 2019 av en oransjeglødende, smultringformet kant. På bildet blir lyset fra gasser bøyd av rundt hendelseshorisonten mens de virvler rundt et svart hull i galaksen Messier 87. Det svarte hullet er ikke synlig, siden det sluker lyset – slik Einstein forutsa.

Med åtte radioteleskoper plassert ulike steder på kloden klarte forskere å ta det første bildet av et svart hull. Bildet ble offentliggjort i 2019.

© EHT Collaboration

I sentrum av vår egen galakse mener astronomene for eksempel at det skjuler seg et gigantisk svart hull som kalles Sagittarius A*, som veier omkring 4,6 millioner ganger så mye som solen.

Om fysikerne med tiden vil kunne påvise om vi blir brent, strukket ut eller delt i biter når vi suges inn i et svart hull, er imidlertid fortsatt usikkert.

«Det blir nok nesten et skudd i blinde. Selv om vi finner et svart hull som er nært nok til at vi kan utføre eksperimenter på det, vil de være så komplekse at det vil ta minst universets levetid å sette dem ut i livet», sier Ahmed Almheiri.