I de trassliga kamrarna i svarta hål kolliderar två grundläggande teorier om vår värld. Finns svarta hål verkligen? Det verkar som ja. Kan de grundläggande problemen som uppstår vid närmare granskning av svarta hål lösas? Okänd. För att förstå vad forskare har att göra med, måste du dyka lite i historien för studien av dessa ovanliga föremål. Och vi börjar med det faktum att av alla krafter som finns i fysiken finns det en som vi inte förstår alls: tyngdkraften.
Tyngdkraft är skärningspunkten mellan grundläggande fysik och astronomi, gränsen vid vilken två av de mest grundläggande teorierna som beskriver vår värld kolliderar: kvantteori och Einsteins teori om rymdtid och gravitation, alias generell relativitet.
Svarta hål och gravitation
Dessa två teorier verkar vara oförenliga. Och det är inte ens ett problem. De finns i olika världar, kvantmekanik beskriver mycket liten och allmän relativitet beskriver mycket stor.
Det är först när man når extremt små vågar och extrem tyngd som de två teorierna kolliderar och på något sätt visar sig en av dem vara fel. I vilket fall som helst följer det av teorin.
Men det finns en plats i universumet där vi faktiskt skulle kunna bevittna detta problem och kanske till och med lösa det: kanten på ett svart hål. Det är här vi möter den mest extrema tyngdkraften. Men det finns ett problem: ingen har någonsin "sett" ett svart hål.
Kampanjvideo:
Vad är ett svart hål?
Föreställ dig att allt drama i den fysiska världen utspelar sig i tidens teater, men allvar är den enda kraften som faktiskt förändrar teatern där den spelas.
Tyngdkraften styr universum, men det kanske inte ens är en kraft i traditionell mening. Einstein beskrev det som en följd av deformation av rymd-tid. Och kanske det inte bara passar in i standardmodellen för partikelfysik.
När en mycket stor stjärna exploderar i slutet av sitt liv kollapsar den innersta delen under sin egen tyngd, eftersom det inte längre finns tillräckligt med bränsle för att upprätthålla trycket mot tyngdkraften. När allt är tyngdkraften fortfarande kan utöva kraft, det verkar så här.
Matchen kollapsar och ingen kraft i naturen kan lämna denna kollaps.
På en oändlig tid kollapsar stjärnan till en oändlig punkt: en singularitet, eller låt oss kalla det ett svart hål. Men på en begränsad tid kommer naturligtvis den stjärna kärnan att kollapsa till något av ändliga dimensioner och kommer fortfarande att ha en enorm massa i ett oändligt litet område. Och det kommer också att kallas ett svart hål.
Svarta hål suger inte allt runt
Det är anmärkningsvärt att idén att ett svart hål oundvikligen kommer att suga allt i sig själv är fel.
Oavsett om du kretsar runt en stjärna eller ett svart hål bildat av en stjärna spelar det ingen roll så länge massan förblir densamma. God gammaldags centrifugalkraft och din vinkelmoment håller dig säker och förhindrar att du faller.
Det är först när du kopplar in dina raketbromsar för att avbryta snurret att du börjar falla inåt.
Så fort du börjar falla i svarta hål, accelererar du gradvis till allt högre hastigheter tills du äntligen når ljusets hastighet.
Varför är kvantteori och allmän relativitet inkompatibla?
Just nu går allt i stycke, eftersom inget kan röra sig snabbare än ljusets hastighet i enlighet med den allmänna relativiteten.
Ljus är ett substrat som används i kvantvärlden för att utbyta krafter och transportera information till makrokosmos. Ljus avgör hur snabbt du kan ansluta orsak och verkan. Om du rör dig snabbare än ljus kan du se händelser och ändra saker innan de händer. Och detta har två konsekvenser:
- Vid den punkt där du når ljusets hastighet genom att falla inåt måste du också flyga ut från den punkten med ännu högre hastighet, vilket verkar omöjligt. Därför kommer konventionell fysisk visdom att säga dig att ingenting kan lämna ett svart hål genom att bryta denna barriär, som vi också kallar "händelseshorisonten."
- Av detta följer också att de grundläggande principerna för bevarande av kvantinformation plötsligt bryts.
Huruvida detta är sant och hur kan vi modifiera teorin om gravitation (eller kvantfysik) är frågor som många fysiker letar efter svar på. Och ingen av oss kan säga vilka argument vi kommer att sluta med.
Finns svarta hål?
Uppenbarligen skulle all denna spänning vara motiverad endast om svarta hål verkligen fanns i detta universum. Så finns de?
Det har visat sig slutgiltigt under det senaste århundradet att vissa binärer med intensiva röntgenstrålar faktiskt är stjärnor som har kollapsat i svarta hål.
Dessutom hittar vi ofta bevis på enorma, mörka massakoncentrationer i galaxcentrumen. Dessa kan vara supermassiva versioner av svarta hål, troligen bildade genom sammanslagningen av många stjärnor och gasmoln som stupade in i galaxens centrum.
Beviset är starkt men omständigt. Gravitationsvågor tillät oss att åtminstone "höra" sammanslagningen av svarta hål, men händelsens horisonters signatur är fortfarande svårfångade och vi har aldrig "sett" svarta hål hittills - de är helt enkelt för små, för avlägsna och i de flesta fall för svarta.
Hur ser ett svart hål ut?
Om du tittar direkt in i ett svart hål, ser du det mörkaste mörkret som kan tänkas.
Men det omedelbara omgivningen i det svarta hålet kan vara tillräckligt ljusa eftersom gaserna spiralar inåt - avtar på grund av motståndet hos de magnetiska fälten som de bär.
På grund av magnetisk friktion upphettas gasen till enorma temperaturer på flera tiotals miljarder grader och börjar avge ultravioletta och röntgenstrålar.
Ultravärma elektroner som interagerar med magnetfältet i gasen börjar ge intensiv radioutsläpp. Således kan svarta hål glöda och kan omges av en ring av eld som avger vid olika våglängder.
Eldring med en svart-svart mitt
Och ändå, mitt i mitten, fångar händelseshorisonten, som en rovfågel, varje foton som kommer för nära.
Eftersom utrymmet är krökt av det stora hålet i det svarta hålet, böjs ljusets vägar också och bildar till och med nästan koncentriska cirklar runt det svarta hålet, som serpentiner runt en djup dal. Denna ring av ljuseffekt beräknades redan 1916 av den berömda matematikern David Hilbert bara några månader efter att Albert Einstein avslutade sin teori om allmän relativitet.
Efter att ha korsat det svarta hålet flera gånger kan vissa av ljusstrålarna komma undan, medan andra hamnar i händelseshorisonten. På denna komplicerade ljusbana kan du bokstavligen kika in i ett svart hål. Och "ingenting" som visas för ditt blick kommer att vara händelseshorisonten.
Om du tog en bild av ett svart hål, skulle du se en svart skugga omgiven av en glödande dimma av ljus. Vi kallade den här funktionen för svart hålskugga.
Anmärkningsvärt tycks denna skugga vara större än man kan förvänta sig om vi tar diametern på händelseshorisonten som sitt ursprung. Anledningen är att det svarta hålet fungerar som en jättelins och förstärker sig själv.
Skuggmiljön kommer att representeras av en liten "fotonring" på grund av ljuset som virvlar runt det svarta hålet nästan för evigt. Dessutom ser du fler ringar av ljus som dyker upp nära händelseshorisonten, men koncentrerar dig runt det svarta hålets skugga på grund av linseffekten.
Fantasi eller verklighet?
Kan ett svart hål vara en riktig uppfinning som bara kan modelleras på en dator? Eller kan du se det i praktiken? Svar: det är möjligt.
Det finns två relativt närliggande supermassiva svarta hål i universum som är så stora och nära att deras skuggor kan fångas med modern teknik.
I mitten av vår mjölkväg finns det svarta hål 26 000 ljusår bort med en massa 4 miljoner gånger solens massa och ett svart hål i den jätte elliptiska galaxen M87 (Messier 87) med en massa av 3-6 miljarder solmassor.
M87 är tusen gånger längre bort, men tusen gånger massivare och tusen gånger större, så att båda föremål har ungefär samma diameter som en skugga som projiceras på himlen.
Se ett senapskorn i New York från Europa
Sammanfattningsvis förutsäger enkla strålningsteorier att för båda föremål kommer strålning som alstras nära händelseshorisonten att sändas vid radiofrekvenser på 230 Hz och högre.
De flesta av oss stöter bara på dessa frekvenser när vi måste gå igenom en skanner på en modern flygplats. Svarta hål simmar ständigt i dem.
Denna strålning har en mycket kort våglängd - i storleksordningen en millimeter - som lätt absorberas av vatten. För att ett teleskop ska observera kosmiska millimetervågor måste det placeras högt på ett torrt berg för att undvika att absorbera strålning i jordens troposfär.
I grund och botten behöver vi ett millimeterteleskop som kan se ett objekt på storlek av ett senapsfrö i New York någonstans i Nederländerna. Detta teleskop kommer att vara tusen gånger skarpare än Hubble Space Telescope, och vid millimetervåglängder är storleken på ett sådant teleskop Atlanten eller större.
Ett virtuellt teleskop på jorden
Lyckligtvis behöver vi inte täcka jorden med en enda radioskiva, eftersom vi kan bygga ett virtuellt teleskop med samma upplösning genom att kombinera data från teleskop i olika berg runt jorden.
Denna teknik kallas öppningssyntes och mycket lång grundläggande interferometri (VLBI). Idén är ganska gammal och beprövad under flera decennier, men först nu har det blivit möjligt att tillämpa den vid höga radiofrekvenser.
De första framgångsrika experimenten visade att strukturerna i händelseshorisonten kan undersökas vid sådana frekvenser. Nu finns det allt du behöver för att genomföra ett sådant experiment i stor skala.
Arbetet pågår redan
BlackHoleCam-projektet är ett europeiskt projekt för den ultimata bilden, mätningen och förståelsen av astrofysiska svarta hål. Det europeiska projektet är en del av ett globalt samarbete - Event Horizon Telescope-konsortiet, som innehåller mer än 200 forskare från Europa, Amerika, Asien och Afrika. Tillsammans vill de ta den första bilden av ett svart hål.
I april 2017 observerade de det galaktiska centrumet och M87 med åtta teleskoper på sex olika berg i Spanien, Arizona, Hawaii, Mexiko, Chile och Sydpolen.
Alla teleskop var utrustade med exakta atomklockor för att exakt synkronisera deras data. Forskare registrerade flera petabyt rå data, tack vare överraskande goda väderförhållanden runt om i världen då.
Foto av ett svart hål
Om forskare lyckas se händelseshorisonten, kommer de att veta att de problem som uppstår vid korsningen mellan kvantteorin och allmän relativitet inte är abstrakta utan mycket verkliga. Kanske är det när de kan lösas.
Detta kan göras genom att få tydligare bilder av skuggorna av svarta hål, eller genom att spåra stjärnor och pulsars på väg runt svarta hål, med hjälp av alla tillgängliga metoder för att studera dessa objekt.
Kanske är det svarta hål som kommer att bli våra exotiska laboratorier i framtiden.
Ilya Khel