Einsteins vågor hotar Hawkings strålning

– Jag är helt säker på att observationer av gravitationsvågor så småningom kommer att förändra många av dagens modeller för svarta hål. Personligen tvivlar jag på att teorin om den så kallade Hawkingstrålningen kommer att överleva länge till, säger Marek Abramowicz, professor emeritus i teoretisk fysik vid Chalmers tekniska högskola.

För att beskriva vad som händer i närheten av svarta hål krävs en teori som kan förena fysikens två stöttepelare – relativitetsteori och kvantmekanik. Var för sig har båda teorierna bekräftats in i minsta detalj. Till fysikens största utmaningar idag hör att skapa en gemensam teori för kvantgravitation. En sådan krävs för att beskriva vad som händer när gravitationen blir extremt stark, som i närheten av och inuti ett svart hål.

En av de mest kända kvanteffekterna av stark gravitation är Hawkingstrålningen. När det gäller väldigt små svarta hål kan den leda till att hålen helt dunstar bort och försvinner. Ingen har ännu lyckats observera Hawkingstrålningen, men dess konsekvenser har lett till en redan mycket omtalad paradox: den så kallade informationsparadoxen. För om ett svart hål dunstar bort, så försvinner också all information som det innehåller – och detta är något som den allmänna relativitetsteorin förbjuder. Alltså måste antingen kvantfysiken eller relativitetsteorin modifieras.

Många förslag för att upplösa paradoxen har diskuterats, och de allra flesta går ut på att det är relativitetsteorin som kräver en förändring. Ett av förslagen är att de svarta hålen omges av så kallade kvantmekaniska brandväggar, där all materia förstörs på väg in, det vill säga innan den ens slukats av det svarta hålet.

– Till skillnad från Hawkingstrålningen skulle kvantbrandväggarna finnas kring alla svarta hål, inte bara de mikroskopiska. Så i valet mellan Einstein och Hawking väljer många fysiker att rädda Hawkings teori och kvantmekaniken. Men om brandväggarna verkligen finns så bör vi upptäcka dem, eftersom de i kollisionen mellan två svarta hål skulle ge upphov till en väldigt stark blixt av elektromagnetisk strålning, vid sidan av gravitationsvågorna som då sänds ut, säger Marek Abramowicz.

Att kunna testa kvantgravitation så att den blir mer som en vanlig teori och inte bara är spekulativa idéer och modeller, är en av följderna av att det nu går att mäta gravitationsvågor.

– Det är det mest spännande resultatet av att vi nu kan mäta gravitationsvågorna, säger Marek Abramowicz. Det var förresten min handledare, Andrzej Trautman, professor vid universitetet i Warszawa, som på 1950- och 60-talen lade grunden för de mätningar som nu har gjorts.

– Ända sedan 1916, då Einstein publicerade sin allmänna relativitetsteori, hade gravitationsvågor setts som en matematisk egenskap hos teorin. Men Trautman löste Einsteins ekvationer och visade att gravitationsvågorna faktiskt bär på energi, alltså finns på riktigt. Så hans beräkningar är utgångspunkten för det som nu mäts i experimenten.

Århundradets upptäckt

Trots att den allmänna relativitetsteorin är drygt hundra år gammal, så var det först i år som gravitationsvågor, som teorin förutsade, uppmättes för första gången. Vågorna sändes ut när två svarta hål smälte samman. Det skedde ungefär en miljard ljusår från oss. Då hade de svarta hålen rört sig i cirklar runt varandra i cirka tio miljarder år sedan de bildades två miljarder år efter big bang. Deras banor kom allt närmare varandra, fram till den slutliga sammansmältningen – som var över på 0,02 sekunder.