Nobelpriset i fysik 2020 går till fundamentala upptäckter om universums mörkaste hemligheter: svarta hål. Den ena hälften av priset går till Roger Penrose för banbrytande teoretiska resultat som visar att svarta hål bildas både naturligt och oundvikligt enligt allmänna relativitetsteorin. Reinhard Genzel och Andrea Ghez delar gemensamt på den andra hälften av priset för deras precisa observationer som visar existensen av ett supermassivt osynligt objekt i mitten av vår galax. Det kan inte förklaras på något annat sätt än ett supermassivt svart hål.

Svarta hål är något som fascinerar oss alla. Det är ett av universums mest exotiska platser där fysikens lagar är något helt annorlunda än vad vi kan föreställa oss och representerar på många sätt gränserna till mänsklighetens förståelse av världen. Kort och gott är ett svart hål en region där gravitationen är så stark att ingenting, inte ens ljus, kan ta sig ut. Gränsen mellan det svarta hålet och omgivningen kallas för händelsehorisonten och kärnan, där allting sugs in till, kallas för singulariteten av det svarta hålet.

Existensen av svarta hål har spekulerats ända sedan slutet av 1700-talet men det fick genast stor uppmärksamhet efter Albert Einstein publicerade sin allmänna relativitetsteori 1915. Kort efter publikationen visade fysikern Karl Schwarzschild att svarta hål beskrivs exakt av Einsteins ekvationer men det blev ifrågasatt om sådana objekt verkligen kan finnas i verkligheten. Matematiken i allmän relativitetsteori är komplicerad och dåtidens fysiker, även teorins skapare Einstein, kunde inte besvara denna fråga.

Svaret på denna fråga skulle komma 50 år senare av fysikern Robert Penrose som har gjort många viktiga bidrag till relativitetsteorin och kosmologi. Med snillrika matematiska metoder kunde han bevisa tillsammans med Stephen Hawkings de banbrytande singularitetssatserna, som säger att svarta hål kan bildas naturligt och oundvikligt i vårt universum enligt Einsteins teorier. Penrose lade grunden för vår nuvarande förståelse av svarta hål men det fanns och det finns även nu många obesvarade frågor.

Den allmänna relativitetsteorin är en utvidgning av den speciella relativitetsteorin som beskriver gravitation. Kärnan av teorin är att ljusets hastighet är konstant, att tid och rum hänger ihop och slutligen att gravitation böjer tid och rum. Gravitation påverkar alltså tiden. Stora gravitationskrafter får tiden att ticka långsammare och nära händelsehorisonten tickar klockan nästan oändligt långsamt. På andra sidan händelsehorisonten är gravitationen så stark att tid och rum byter plats på ett sätt vi människor inte kan föreställa oss. Matematiskt kan vi beskriva det men det är svårt att tolka resultatet och föreställa oss en verklighet vi inte är vana vid.

På presskonferensen höll den svenske fysikern Ulf Danielsson upp en liten svart boll för att illustrera vad som skulle hända om ditt finger korsar händelsehorisonten. På grund av den starka gravitationskraften böjs både tid och rum på ett sådant sätt att det är omöjligt att dra ut fingret igen. Inuti byter tid och rum plats med varandra och fingret försvinner oundvikligen in till singulariteten.

  • Facebook
  • Twitter
  • LinkedIn
De teoretiska upptäckterna av Penrose var startskottet på jakten att faktiskt upptäcka svarta hål i verkligheten. Forskarna Reinhard Genzel och Andrea Ghez vände därför teleskopen mot hjärtat av vår egen galax, Vintergatan. De ledde varsin forskargrupp, Genzel i Tyskland och Ghez i USA, och spårade hur stjärnorna i Vintergatans kärna rörde sig under många år. Det var en stor utmaning och det krävde oerhört sofistikerad utrustning men till slut kunde båda grupper se flera stjärnor kretsa kring något. Något stort. Något osynligt. Deras resultat visade ett supermassivt objekt, nu kallat Sagittarius A*, i centrum av vår galax med en massa på cirka 4 miljoner solmassor. Den enda nuvarande förklaringen är att det är ett supermassivt svart hål.

  • Facebook
  • Twitter
  • LinkedIn

På presskonferensen berättade Andrea Ghez att hon reagerade med stor förtjusning och framför allt tvivel när hon och hennes grupp gjorde upptäckten av Sagittarius A*. Att vara en forskare innebär att vara till gränsen till mänsklighetens förståelse och ingen kan helt säkert veta vad som är rätt. Hon betonade att det är viktigt att ställa de rätta frågorna och vara kritisk mot sina resultat och att det är en stor del av forskning. Hon fortsatte sedan att tala sig varm för vetenskap, utbildning och den yngre generationen. Ghez är den fjärde kvinnan att erhålla nobelpriset i fysik och hon hoppades att innerligt att hon kan inspirera andra unga kvinnor till forskning. Det finns så mycket du kan göra om du är passionerad.

Det är oerhört välförtjänat pris om väldigt häftig fysik som kombinerar teoretiska studier med experimentella observationer. Det är inte första gången nobelpriset går till forskning relaterat till svarta hål, 2017 belönades upptäckten av gravitationsvågor som bildades av kollisionen mellan två svarta hål. Den första bilden av ett svart hål blev också världsnyheter 2019 och är definitivt en kandidat för ett framtida nobelpris. Det bedrivs mycket forskning och fysiker hoppas kunna besvara olösta frågor om svarta hål och hitta ny fysik som vi aldrig har sett förut. Vår nuvarande förståelse är att svarta hål bildades naturligt som byggstenar i galaxerna och att tid och rum byter plats bortom händelsehorisonten. Men vi vet inte vad som händer i singulariteten, försvinner allt verkligen där? Det finns många relaterade obevisade fenomen och teorier som berör denna fråga såsom Hawkingstrålning, kvantgravitation och den holografiska principen.

Precis som namnet antyder så har många nobelpris slukats av just svarta hål och med den pågående spännande forskningen lär det bli fler. Jag längtar redan till nästa.

 

En populärvetenskaplig sammanfattning ges av Nobelkommittén här och den som vill gräva ned i de invecklade ekvationerna och graferna kan göra det här.

Illustrationerna är hämtade från: https://www.kva.se/sv/pressrum/pressmeddelanden/nobelpriset-i-fysik-2020

Illustrationer: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Skribent

  • Facebook
  • Twitter
  • LinkedIn

Jonathan Jilg, Vice ordförande i Unga Forskare

Masterstudent i Teknisk fysik med inriktning Teoretisk fysik, Kungliga Tekniska Högskolan