Var leder svarta hål?


Så där är du, på väg att hoppa in i en svart hål. Vad som eventuellt kan vänta bör du – mot alla odds – på något sätt överleva? Var skulle du hamna och vilka främmande berättelser skulle du kunna återupprätta om du lyckades klämma dig tillbaka?

Det enkla svaret på alla dessa frågor är, som professor Richard Massey förklarar, "Vem vet?" Som forskare vid Royal Society vid Institute for Computational Cosmology vid Durham University är Massey helt medveten om att mysterierna om svarta hål löper djupt. "Att falla genom en händelseshorisont passerar bokstavligen bortom slöjan – när någon faller förbi den kunde ingen någonsin skicka ett meddelande tillbaka," sade han. "De skulle luras i stycke av den enorma allvar, så jag tvivlar på att någon som föll igenom skulle komma någonstans."

Om det låter som ett besvikande – och smärtsamt – svar, kan det förväntas. Ända sedan Albert Einstein allmän relativitetsteori ansågs ha förutspått svarta hål genom att koppla rymdtid med tyngdkraften, det har varit känt att svarta hål är resultatet av en massiv stjärns död och lämnar en liten, tät restkärna. Antagande att denna kärna har mer än ungefär tre gånger den solens massa, tyngdkraften skulle överväldiga till en sådan grad att det skulle falla in på sig själv till en enda punkt, eller singularitet, förstås vara det svarta hålets oändligt täta kärna.

Relaterad: 9 idéer om svarta hål som kommer att blåsa ditt sinne

Det resulterande obeboeliga svarta hålet skulle ha ett så kraftfullt tyngdkraftsdrag att inte ens ljus kunde undvika det. Om du då befinner dig vid händelseshorisonten – den punkt där ljus och materia bara kan passera inåt, som föreslagits av den tyska astronomen Karl Schwarzschild – finns det ingen flykt. Enligt Massey skulle tidvattenkrafter minska din kropp till delar av atomer (eller "spaghettifiering", som det också är känt) och objektet skulle så småningom hamna krossat vid singulariteten. Tanken på att du kan komma ut någonstans – kanske på andra sidan – verkar helt fantastisk.

Vad sägs om ett maskhål?

Eller är det? Under åren har forskare undersökt möjligheten att svarta hål kan vara maskhål till andra galaxer. De kan till och med vara, som vissa har föreslagit, en väg till ett annat universum.

En sådan idé har svävt sedan länge: Einstein samarbetade med Nathan Rosen till teoribryggor som förbinder två olika punkter i rymden 1935. Men det fick lite ny mark på 1980-talet när fysikern Kip Thorne – en av världens ledande experter på de astrofysiska implikationerna av Einsteins allmänna relativitetsteori – tog upp en diskussion om föremål fysiskt kunde resa genom dem.

"Att läsa Kip Thornes populära bok om maskhål är det som först fick mig upphetsad av fysik som barn," sa Massey. Men det verkar inte troligt att maskhål finns.

Faktum är att Thorne, som lånade sina expertråd till produktionsteamet för Hollywood-filmen Interstellar, skrev: "Vi ser inga föremål i vårt universum som kan bli maskhål när de åldras," i sin bok "The Science of Interstellar" (WW Norton and Company, 2014). Thorne berättade för Space.com att resor genom dessa teoretiska tunnlar sannolikt skulle förbli science fiction, och det finns verkligen inga fasta bevis för att ett svart hål kan möjliggöra en sådan passage.

Konstnärens koncept av ett maskhål. Om det finns maskhål kan de leda till ett annat universum. Men det finns inga bevis för att maskhål är verkliga eller att ett svart hål skulle fungera som ett.

(Bildkredit: Shutterstock)

Men problemet är att vi inte kan komma nära för att se själv. Vi kan inte ens ta fotografier av någonting som äger rum i ett svart hål – om ljus inte kan undkomma deras enorma allvar, då kan ingenting knäppas av en kamera. Som det nu står, tyder teorin på att allt som går utöver händelseshorisonten helt enkelt läggs till i det svarta hålet, och dessutom, eftersom tiden snedvrider nära denna gräns kommer detta att tyckas ske otroligt långsamt, så svar kommer inte att bli snabbt tillmötesgående.

"Jag tror att standardhistorien är att de leder till slutet av tiden", säger Douglas Finkbeiner, professor i astronomi och fysik vid Harvard University. "En observatör långt borta kommer inte att se deras astronautvän falla i det svarta hålet. De blir bara rödare och svagare när de närmar sig händelseshorisonten (som ett resultat av rött tyngdkraft). Men kompisen faller rätt in, till en plats bortom "för evigt." Vad det nu betyder."

Kanske leder ett svart hål till ett vitt hål

Visst, om svarta hål leder till en annan del av en galax eller ett annat universum, skulle det behöva finnas något motsatt dem på andra sidan. Kan detta vara en vitt hål – en teori framställd av den ryska kosmologen Igor Novikov 1964? Novikov föreslog att ett svart hål skulle länka till ett vitt hål som fanns tidigare. Till skillnad från ett svart hål tillåter ett vitt hål att ljus och materia lämnar sig, men ljus och materia kommer inte att kunna komma in.

Forskare har fortsatt att utforska den potentiella kopplingen mellan svarta och vita hål. I deras studie 2014 publicerad i tidskriften Fysisk granskning D, fysiker Carlo Rovelli och Hal M. Haggard hävdade att "det finns en klassisk metrisk som tillfredsställer Einstein-ekvationerna utanför en begränsad rymd-tidsregion där materien kollapsar i ett svart hål och sedan dyker upp från ett stund hål." Med andra ord, allt material som svarta hål har svält skulle kunna spridas ut och svarta hål kan bli vita hål när de dör.

Långt ifrån att förstöra informationen som den tar upp skulle ett svart hål kollapsas. I stället skulle det uppleva ett kvantstopp, vilket tillåter information att fly. Om detta är fallet skulle det kasta lite ljus på ett förslag från tidigare Cambridge University kosmolog och teoretisk fysiker Stephen Hawking som på 1970-talet undersökte möjligheten att svarta hål avger partiklar och strålning – termisk värme – till följd av kvantfluktuationer.

"Hawking sa att ett svart hål inte varar för evigt," sa Finkbeiner. Hawking beräknade att strålningen skulle leda till att ett svart hål tappade energi, krymper och försvann, som beskrivs i hans papper från 1976 publicerat i Fysisk granskning D. Med tanke på hans påståenden om att den strålning som släppts ut skulle vara slumpmässig och inte innehålla information om vad som föll in, skulle det svarta hålet, vid dess explosion, radera massor av information.

Detta innebar att Hawkings idé var i strid med kvantteorin, som säger att information inte kan förstöras. Fysik säger att information bara blir svårare att hitta, om den skulle gå förlorad blir det omöjligt att känna till det förflutna eller framtiden. Hawkings idé ledde till "black hole information paradox" och den har länge förundrat forskare. Vissa har sagt att Hawking helt enkelt hade fel, och mannen själv förklarade till och med att han hade gjort ett fel under en vetenskaplig konferens i Dublin 2004.

Så går vi tillbaka till konceptet med svarta hål som avger bevarad information och slänger den tillbaka via ett vitt hål? Kanske. I deras studie 2013 publicerad i Fysiska granskningsbrev, Jorge Pullin vid Louisiana State University och Rodolfo Gambini vid University of the Republic i Montevideo, Uruguay, applicerade slinga kvanttyngd till ett svart hål och fann att tyngdekraften ökade mot kärnan men minskade och plunkade vad som gick in i en annan region i universum. Resultaten gav extra trovärdighet till idén om svarta hål som fungerar som en portal. I denna studie existerar inte singularitet, och därför bildar den inte en ogenomtränglig barriär som slutar krossa vad den möter. Det betyder också att information inte försvinner.

Kanske svarta hål går ingenstans

Ändå trodde fysikerna Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski och James Sully fortfarande Hawking kunde ha varit på något. De arbetade på en teori som blev känd som AMPS-brandväggen eller svarthåls brandväggshypotesen. Genom deras beräkningar kunde kvantmekanik möjligen förvandla händelseshorisonten till en gigantisk eldvägg och allt som kommer i kontakt skulle brinna på ett ögonblick. I den meningen leder svarta hål ingenstans eftersom ingenting någonsin kunde komma in.

Detta bryter emellertid med Einsteins allmänna relativitetsteori. Någon som passerar händelseshorisonten borde faktiskt inte känna några stora svårigheter eftersom ett objekt skulle vara i fritt fall och baserat på ekvivalensprincipen skulle det objektet – eller personen – inte känna de extrema effekterna av allvar. Det kunde följa fysiklagarna som finns på andra håll i universum, men även om det inte strider mot Einsteins princip skulle det undergräva kvantfältteorin eller föreslå att information kan gå förlorad.

Relaterad: 11 fascinerande fakta om vår mjölkväg Galaxy

Konstnärens intryck av en tidvattenstörningshändelse som inträffar när en stjärna passerar för nära ett supermassivt svart hål.

(Bildkredit: tidningen All About Space)

Ett svart hål av osäkerhet

Gå framåt Hawking ännu en gång. 2014 publicerade han en studie där han undvek förekomsten av en händelseshorisont – vilket betyder att det inte finns något att bränna – och säger att gravitations kollaps skulle ge en "uppenbar horisont" istället.

Denna horisont skulle stänga av ljusstrålar som försöker flytta sig bort från kärnan i det svarta hålet och skulle kvarstå under en "tidsperiod." I hans omprövning, uppenbara horisonter bibehåller tillfälligt material och energi innan de upplöses och släpps senare längs linjen. Denna förklaring passar bäst med kvantteorin – som säger att information inte kan förstöras – och om den någonsin har bevisats antyder den att allt skulle kunna fly från ett svart hål.

Hawking gick så långt som att säga svarta hål kanske inte ens existerar. "Svarta hål bör omdefinieras som metastabla bundna tillstånd i gravitationsfältet," skrev han. Det skulle inte finnas någon singularitet, och medan det synbara fältet skulle röra sig inåt på grund av tyngdkraften, skulle det aldrig nå centrum och konsolideras inom en tät massa.

Och ändå kommer allt som släpps inte ut i form av den information som sväljs. Det skulle vara omöjligt att ta reda på vad som gick in genom att titta på vad som kommer ut, vilket orsakar egna problem – inte minst för en människa som befann sig i en så oroande position. De känner aldrig samma sak igen!

En sak är säker, just detta mysterium kommer att svälja upp många fler vetenskapliga timmar under en lång tid framöver. Rovelli och Francesca Vidotto föreslog nyligen att en komponent av mörkt material kunde bildas av rester av förångade svarta hål, och Hawkings papper på svarta hål och "mjukt hår" var släppt 2018, och beskriver hur nollenergipartiklar lämnas runt punkten utan återvändande, händelseshorisonten – en idé som antyder att information inte går förlorad utan fångas.

Detta flög i ansiktet av icke-håret teorem som uttrycktes av fysiker John Archibald Wheeler och arbetade på grundval av att två svarta hål skulle kunna skilja sig från en observatör eftersom ingen av de speciella partikelfysikens pseudo-laddningar skulle bevaras. Det är en idé som har fått forskare att prata, men det finns något sätt att gå innan det ses som svaret för var svarta hål leder. Om vi ​​bara kunde hitta ett sätt att hoppa till ett.

(Bildkredit: tidningen All About Space)