Upptäckten av rymdens svarta hål

Svarta hål är monstruösa företeelser som slukar till och med själva ljuset. Ingenting som passerar den gräns som kallas för händelsehorisonten kan någonsin komma ut igen. Innanför denna gräns kan ingenting röra sig i någon annan riktning än inåt, och all massa samlas mot mittpunkten. Vad som verkligen händer precis i centrum av det svarta hålet kan ingen säga, för där bryter ekvationerna samman och leder till oändligheter. En punkt där ekvationer på detta sätt upphör att vara giltiga kallas för en singularitet.

Det finns antagligen gigantiska svarta hål i centrum av varje galax. Mindre svarta hål bildas som en rest när vissa stjärnor exploderar och slocknar.

Numera har forskningen ganska bra koll på svarta hål, både från direkta och indirekta observationer. När matematikern Roger Penrose började intressera sig för de svarta hålens gåta var de däremot bara en avlägsen teoretisk möjlighet.

Ända sedan slutet av 1700-talet hade fysiker resonerat om att en tillräckligt massiv himlakropp skulle kunna hålla kvar själva ljuset. Den nuvarande uppfattningen om svarta hål börjar med Albert Einstein som 1915 lade fram sin allmänna relativitetsteori, som beskriver gravitation som en krökning av rumtiden.

Det tog lång tid för forskarvärlden att förstå vad det här betydde. Dessutom fanns det många tvivel om huruvida ett så märkligt fenomen som svarta hål med en singularitet i mitten verkligen kunde bildas. Vad skulle hända om massans fördelning var osymmetrisk, skulle då olika delar flyga förbi varandra och åter splittras? En annan invändning var att en massa som föll samman i sig själv skulle kunna omvandlas till gravitationsvågor och alltihop skulle avdunsta ut i universum.

Roger Penrose lyssnade på en föreläsning av fysikern David Finkelstein om händelsehorisonten. Det lockade honom att fundera mer över detaljer i den allmänna relativitetsteorin. I en artikel som han publicerade som ensam författare 1965 presenterade han sina beräkningar, som visade att svarta hål är en nödvändig och naturlig konsekvens av den allmänna relativitetsteorin. Det är för denna upptäckt Roger Penrose tilldelas hälften av årets Nobelpris i fysik.

Han fortsatte sedan att arbeta med olika aspekter av de svarta hålen. Flera av de viktiga resultaten kom han fram till tillsammans med sin berömda kollega, den brittiska fysikern Stephen Hawking.

Den andra halvan av Nobelpriset i fysik delas mellan Reinhard Genzel och Andrea Ghez, ledarna för varsin forskargrupp som i en konstruktiv kapplöpning har lyckats avslöja det svarta hålet i vår egen galax. För Reinhard Genzel började det med att han på 1970-talet efter doktorsexamen kom till universitetet i Berkeley. Där arbetade han tillsammans med fysikern och Nobelpristagaren Charles Townes, som hade en teknik att använda infrarött ljus för att se genom dammet in till Vintergatans mitt. Många forskare misstänkte att det fanns ett svart hål i mitten av ett område som kallas Sagittarius A*, och Charles Townes trodde att det skulle kunna gå att upptäcka.

Idén var enkel, om än svår att genomföra. Om där finns ett supermassivt svart hål skulle den mesta massan vara samlad i en mycket liten volym. Stjärnorna kretsar då snabbare ju närmare de befinner sig denna täta massa.

– Tänk på hur planeterna rör sig i solsystemet – de yttre planeterna rör sig långsammare än de inre, säger Reinhard Genzel.

När han återvände till Tyskland för att bli direktör för ett Max Planck-institut tog han med sig idén, och byggde upp en forskargrupp som förbättrade tekniken. Det gällde att kunna fånga upp svag strålning, och att få så bra upplösning att det gick att urskilja enskilda stjärnor och mäta deras rörelser.

Andrea Ghez arbetade samtidigt med metoder för att motverka störningar från atmosfärens rörelser som gör stjärnor suddiga i teleskopen. I sin forskargrupp ville hon utveckla tekniken och använda den också för infrarött ljus. Hon var sedan tidigare mycket intresserad av svarta hål och såg en möjlighet. De båda forskargrupperna arbetade parallellt med samma fråga. Andrea Ghez använde sig av Keck-observatoriet på Hawaii och Reinhard Genzel använde det europeiska sydobservatoriet ESO i Chile. I slutet av 1990-talet lyckades båda grupperna mäta stjärnors hastigheter kring Vintergatans mitt, och det såg verkligen ut som om där skulle finnas ett mycket kompakt objekt som antagligen var ett svart hål.

– Fysikerna var ändå inte riktigt övertygade, säger Reinhard Genzel.

De fortsatte att utveckla sina metoder. De lusläste varandras artiklar, och lärde sig hela tiden av varandras resultat och misstag.

– Analysen som behövs för att tolka mätningarna är förvånansvärt komplex. När vi berättar om vår forskning brukar vi inte tala så mycket om det, eftersom det är så avgrundstråkigt, men det är den biten vi verkligen vill gräva ned oss i när vi ser den andra gruppens artiklar, säger Andrea Ghez.

Efter några år upptäckte båda grupperna en stjärna mycket nära galaxens centrum, S2 eller S-02, som rörde sig ovanligt snabbt. Den hade en bana med en omloppstid på bara knappt 16 år. Det gör att forskarna genom åren som gått har kunnat följa den mer än ett helt varv. De noggrannare mätningarna ledde fram till att de kunde avgöra att objektet stjärnan kretsar kring måste vara betydligt mindre än vårt solsystem, och de kunde också beräkna massan till fyra miljoner solmassor. Nu började även de skeptiska fysikerna bli övertygade, för det är svårt att tänka sig något annat än ett svart hål med dessa egenskaper.

Slutligen kunde man också observera hur den studerade stjärnans bana vred sig på ett karakteristiskt sätt, precis som den allmänna relativitetsteorin säger att den ska göra när stjärnan påverkas av rummets krökning nära det svarta hålet.