Det här årets Nobelpris i fysik tilldelades tre forskare för deras arbete med svarta hål. Den brittiske kosmologen Roger Penrose får hälften av priset, medan den resterande hälften delas mellan den tyske astrofysikern Reinhard Genzel och den amerikanska astrofysikern Andrea Ghez. Ghez är bara den fjärde kvinnan i historien som får det anrika fysikpriset.
”Årets pris handlar om universums mörkaste hemligheter”, sade Göran K. Hansson, generalsekreterare för Kungliga Vetenskapsakademien, vid en pressträff. Akademin uppmärksammade Penrose för hans ”upptäckt att bildandet av svarta hål är en robust förutsägelse i den allmänna relativitetsteorin”, tillade Hansson, medan Ghez och Genzel belönades ”för upptäckten av ett supermassivt kompakt objekt i centrum av vår galax.”
Svarta hål är regioner i rymden där gravitationskraften är så stark att inte ens ljuset kan ta sig ut. För att skapa ett sådant, sade Ulf Danielsson, fysiker i Nobelkommittén för fysik, vid evenemanget, ”skulle man behöva komprimera solen till ett område som bara är några kilometer stort – eller pressa ner jorden till storleken av en ärta”. I hjärtat av varje svart hål skulle det finnas en ”singularitet”, en punkt där gravitationen pressar materia till oändlig täthet, omgiven av en ”händelsehorisont” bortom vilken allt som faller in inte kan återvända till det större universum utanför. Även om forskare har spekulerat om deras existens i århundraden har det varit oklart om sådana extrema objekt kan förekomma i verkligheten. Till och med Albert Einstein – vars allmänna relativitetsteori utgör den moderna grunden för att förstå svarta hål – tvivlade på deras existens.
Men 1965 visade Penrose, en fysiker som arbetade med Stephen Hawking och som nu är professor emeritus vid Oxfords universitet, matematiskt ”att svarta hål verkligen kan existera, och att de bildas i en stabil och robust process” som stämmer överens med Einsteins teorier, berättade David Haviland, fysiker vid Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) i Sverige och ordförande för kommittén för fysikpriset, för journalister.
”Penrose och Hawking bevisade att svarta hål för stjärnor av en viss typ är ett ganska oundvikligt resultat av stjärnornas kollaps”, säger Sabine Hossenfelder, teoretisk fysiker vid Frankfurt Institute for Advanced Studies i Tyskland. ”Före detta banbrytande arbete trodde de flesta fysiker att svarta hål bara var matematiska kuriositeter som förekommer i den allmänna relativitetsteorin, men att de inte skulle existera i verkligheten. Istället visade det sig att svarta hål är svåra att undvika vid stjärnkollaps och att universum borde vara fullt av dem…. Historien om upptäckten av svarta hål visar tydligt hur kraftfull ren matematik kan vara i strävan att förstå naturen.”
Penroses arbete med svarta hål stannade inte vid att bevisa att de är möjliga enligt den allmänna relativitetsteorin, konstaterar Avi Loeb, astrofysiker vid Harvarduniversitetet och föreståndare för dess Black Hole Initiative. Penrose visade också hur man kan utvinna energi från snurrande svarta hål – den så kallade Penrose-processen, som kan spela en viktig roll för att driva kvasarer, de ultraluminösa objekt som är kopplade till glupska svarta hål i kärnorna av avlägsna gamla galaxer. Och Penroses ”kosmiska censurhypotes”, säger Loeb, ”räddar vår förmåga att förutsäga framtiden i hela universum från patologin hos de singulariteter som är förknippade med svarta hål, där Einsteins teori bryter samman…. Precis som i Las Vegas gäller att ”det som händer innanför händelsehorisonten stannar innanför händelsehorisonten”.
Medans Penrose, Hawking och andra teoretiker kodifierade de svarta hålens fysikaliska grunder, sökte och studerade observationsastronomer dessa exotiska objekt i allt större detalj.
En banbrytande upptäckt började dyka upp på 1990-talet. Genzel – chef för infraröd astronomi vid Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics i Garching, Tyskland – och Ghez – professor vid University of California, Los Angeles – ledde var och en ett oberoende forskarlag som använde kraftfulla infraröda teleskop förstärkta med adaptiv optik för att kika in i Vintergatans dammtäckta hjärta. Där såg båda grupperna stjärnor som svärmade runt en mystisk central mörk källa, ett osynligt objekt som enligt stjärnornas rörelser måste innehålla en massa som motsvarar fyra miljoner solar. ”Det finns ingen annan förklaring än ett supermassivt svart hål”, sade Danielsson.
Sekvata observationer, främst från rymdteleskopet Hubble, har avslöjat att sådana skalstora svarta hål lurar i centrum av de flesta stora galaxer i det observerbara universum. Denna observation tyder på att dessa objekt, långt ifrån att bara vara astrofysiska arkaner, kanske är universums mest avgörande byggstenar för storskaliga kosmiska strukturer.
”Vetenskap är så viktigt, och att presentera verkligheten i vår fysiska värld är avgörande för oss som människor”, sade Ghez i en intervju med journalister efter att ha fått reda på sitt pris. ”Vi har ingen aning om vad som finns inuti svarta hål…. De representerar verkligen sammanbrottet av vår förståelse av fysikens lagar. Det är en del av det spännande – vi vet fortfarande inte.”
Genzels och Ghez team fortsätter att göra nya upptäckter om Vintergatans centrala supermassiva svarta hål, kallat Sagittarius A*, som t.ex. knutar av överhettad gas som blossar upp till briljans när de spiralerar in i glömska. Nya anläggningar, däribland Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) och Virgo-interferometern, studerar sammansmältande par av svarta hål genom att upptäcka deras utsläpp av krusningar i rymdtiden som kallas gravitationsvågor. Och pågående radioobservationer av Sagittarius A*, liksom sådana undersökningar av ett annat supermassivt objekt i den närliggande galaxen M87 som görs av det världsomspännande Event Horizon Telescope (EHT), genererar revolutionerande närbilder av dessa kosmiska monster.
”Alla dessa banbrytande tekniker för oss närmare än vi någonsin har kommit gränsen till det okända och erbjuder nya sätt att studera de mest mystiska objekten i kosmos och att testa våra mest grundläggande teorier”, säger Sheperd Doeleman, grundande direktör för EHT. ”Resultaten från de senaste åren har gjort det möjligt för oss att ställa frågor som vi aldrig hade kunnat formulera tidigare. Men ännu viktigare är att de tillåter oss att drömma stort. Det arbete som i dag firas med Nobelpriset är omvälvande, och framtiden för svarta hål är, som man säger, ljus!”
”Det här är inte bara ett gammalt äventyr som kommer till sin triumferande avslutning”, säger Danielsson. ”Det är ett nytt äventyr som börjar. När vi nu sonderar allt närmare de svarta hålens horisonter kan naturen ha nya överraskningar i beredskap.”