Einsteins almene relativitetsteori er nu 104 år gammel og står stadig som et fyrtårn i den moderne fysik.
Den passer med hver eneste måling og eksperiment, vi indtil nu har udført, og anses derfor som en af den moderne fysiks to grundpiller. Den anden er kvantemekanikken.
Kun få forskere har for alvor været i stand til at føre relativitetsteorien videre. Blandt dem er Roger Penrose og Stephen Hawking. Penrose har fået halvdelen af årets Nobelpris i fysik, der blev uddelt sidste uge.
\ Et kig bag Nobelprisen i fysik
Som vi beskrev sidste uge, gik Nobelprisen i fysik halvt til Roger Penrose og halvt til Reinhard Genzel og Andrea Ghez for deres forskning i sorte huller.
I denne artikel går Videnskab.dk's faste rumskribenter Helle og Henrik Stub bag om opdagelserne, hvordan de blev til, og hvilke erkendelser de har givet os.
Begge har udført deres mest banebrydende arbejde for årtier siden, og det er synd, at Nobelprisen for de sorte huller først uddeles nu bare to år efter Hawking er død, og hvor Penrose er blevet en ældre herre på 89 år.
Prisen deles med to astronomer fra USA, Reinhard Genzel og Andrea Ghez, som deler den anden halvdel af prisen for at påvise det sorte hul i Mælkevejens centrum.
Den bedste kommentar om Nobelpriskomiteens valg kommer fra den engelske astronom Martin Rees.
Han skriver på Twitter, at Hawking og Penrose var »de to personer, der har gjort mere end nogen anden siden Einstein for at uddybe vores viden om tyngdekraften, men desværre blev denne pris givet for sent til, at Hawking havde mulighed for at dele æren med Penrose.«
Einstein og det krumme rum
Da Einstein selv fremsatte sin teori midt under første verdenskrig, kunne han naturligvis ikke forudse, hvad han havde skabt.
Det var en teori, som brød med den måde, vi hidtil havde opfattet tyngdekraften på, nemlig som en kraft mellem to partikler.
Einsteins udgangspunkt var, at den normale tilstand for en partikel, som ikke påvirkes af en kraft, enten er at ligge stille eller også bevæge sig med jævn fart i en ret linje – dét, som kaldes Inertiens Lov.
Men i virkelighedens verden bevæger partikler sig jo ikke i rette linjer. Jorden og de andre planeter kredser om Solen i ellipsebaner, noget vi normalt tilskriver tyngdekraften.
Det enorme tankespring, Einstein foretog, var at påstå, at en stor masse som Solen vil krumme rummet omkring sig. Planeterne følger sådan set bare Inertiens Lov, for i et krumt rum er den korteste vej mellem to punkter ikke en ret linje, men en krum, såkaldt geodætisk kurve.
\ Om artiklens forfattere
Helle og Henrik Stub er begge cand.scient'er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.
I snart 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.
De står bag bogen 'Det levende Univers' og skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet 'Stubberne'.
Einsten får altid ret
Einstein og Newton er i næsten alle tilfælde helt enige om, hvordan bevægelser i et tyngdefelt foregår, selvom Newton taler om kræfter og Einstein om et krummet rum.
I de tilfælde, hvor de ikke er enige, har Einstein hver eneste gang vist sig at have ret. Desuden ville vores GPS slet ikke virke, hvis relativitetsteorien ikke var korrekt.
En lysstråle bevæger sig som bekendt i en ret linje, men i et krumt rum er rette linjer jo erstattet af krumme kurver. Med andre ord vil lysets bane blive påvirket af at passere gennem et krumt rum.
Det har man præcist kunnet måle i Solsystemet, hvor Solen krummer rummet så meget, at lyset også kommer til at følge en krum kurve, eller som vi siger: Lyset afbøjes af et tyngdefelt.
Hvis rummet krummer tilstrækkeligt stærkt, kan lys slet ikke engang slippe ud.
Scenen var sat til de sorte huller, som Einstein i øvrigt ikke selv troede ville eksistere.
Penrose baner vejen til de sorte huller
Den første teoretiske beskrivelse af dét, vi nu kalder et sort hul, kom kun få uger efter offentliggørelse af den almene relativitetsteori.
På trods af teoriens ekstremt komplicerede matematiske ligninger var den tyske astrofysiker Karl Schwarzschild allerede i 1916 i stand til at give Einstein en løsning, der beskrev, at dét, vi i dag kalder et sort hul, kan skabes, hvis en masse presses tilstrækkeligt meget sammen.
Men det var dengang ren teori. Man kunne ikke vise, at de sorte huller eksisterede, eller hvordan de kunne dannes.
Penrose har fået Nobelprisen for at vise, at sorte huller opstår som en naturlig følge af et kollaps af en stjerne, der ikke ophører af sig selv.
Sådan dannes et sort hul
En neutronstjerne, der dannes efter en supernova-eksplosion, er et eksempel på et kollaps, der bremses af stærke frastødende kræfter mellem neutronerne. Dermed forhindres et totalt kollaps, hvis bare massen er under tre solmasser.
Hvis massen er over tre solmasser, fortsætter kollapset.
Der dannes et sort hul, hvor al massen er samlet i en såkaldt singularitet. Det er et punkt uden udstrækning og med en nærmest uendelig høj massefylde.
Måske største udfordring i fysikken
Det er klart, at fysikere ikke er glade for singulariteter – der er ikke rigtig plads til uendeligheder i fysikken.
Singulariteter, som beskrevet af Penrose, eksisterer næsten helt sikkert ikke. Næste skridt bliver at se på problemet med brug af kvantemekanikkens ligninger.
Sagen er bare, at vi endnu ikke har en kvantemekanisk beskrivelse af tyngdekraften, og det er måske den største udfordring for fysikken i dag.
Sorte huller er afgrænset af en begivenhedshorisont, der gør det umuligt at se ind i et sort hul. Er man først inden for begivenhedshorisonten kan ingen information slippe ud til det omgivende univers.
Jo større massen er, jo større bliver det sorte hul og dets horisont.
Hvis vi forestiller os, at Solen kollapsede til et sort hul, ville begivenhedshorisonten have en diameter på næsten tre kilometer, og gjorde vi det samme tankeeksperiment med Jorden, ville begivenhedshorisonten få en diameter på 9 millimeter.
Et vigtigt samarbejde
I dag er det ofte Hawking, man tænker på, når talen er om sorte huller.
Faktisk har Penrose og Hawking samarbejdet gennem flere år i 1960'erne og 1970'erne. Således var Penrose med til at bedømme Stephen Hawkings ph.d.-afhandling, hvor Penrose kunne se, at Hawking med succes havde bygget videre på hans egen teori om sorte huller.
Senere kom de to dog også til at samarbejde om andre emner.
Hawking har i høj grad udvidet forståelsen om de sorte huller gennem sit arbejde om den såkaldte ’Hawking-stråling’.
Her viser han, at nok er begivenhedshorisonten en grænse mellem det indre af et sort hul og resten af universet – men takket være kvantemekanikken kan et sort hul udsende en meget svag stråling og dermed tabe både masse og energi.
Faktisk vil alle sorte huller fordampe og ende med at eksplodere, bare man venter længe nok.
Det er et søkort at forstå
Citatet »Et er et søkort at forstå, et andet skib at føre« stammer fra Holbergs komedie ’Den Politiske Kandestøber’.
Dermed siger Holberg, at der er forskel på teori og praksis - og det gælder også for sorte huller.
Et er de matematisk abstrakte teorier, som Penrose har været med til at udvikle, noget helt andet er at undersøge, om sorte huller faktisk eksisterer og opfører sig, som teoretikerne forventer.
Det mest berømte eksempel er billedet af et sort hul i galaksen M87, taget med det såkaldte EHT teleskop.
Men der er også andre måder at studere sorte huller på.
Den anden halvdel af årets nobelpris i fysik er givet til to astronomer, der har udført et banebrydende arbejde med at udforske omgivelserne til det sorte hul i Mælkevejens centrum.
Det besværlige hul i midten af Mælkevejen
Det er en meget vanskelig opgave, selvom det sorte hul kun er 26.000 lysår borte.
For rummet mellem Solen og Mælkevejens centrum er fyldt af store skyer af gas og støv. De blokerer for det synlige lys, men tillader i begrænset omfang infrarødt lys at trænge igennem.
Men selvom stråling fra centret når helt frem til Jorden, så er der en sidste hindring, nemlig Jordens atmosfære.
Man kan dog godt observere i det infrarøde område, forudsat at observatoriet ligger meget højt og helst også i et meget tørt område, da vanddamp i høj grad absorberer infrarødt lys.
16 års prøvelser
Heldigvis har vi sådanne observatorier, og de to, som er anvendt her, er Paranal Observatoriet i Chile, som befinder sig i en højde på 2600 meter, og Keck-teleskopet på Hawaii, som befinder sig i en højde på hele 4.100 meter over havet.
Prisvinderne Reinhard Genzel leder af et hold af astronomer, som anvender de europæiske teleskoper i Chile, mens Andrea Ghez er leder ved et hold, der observerer Mælkevejens centrum fra Hawaii.
De begyndte i 1992, og det skulle tage 16 år, før det store gennembrud kom.
Det skete ved at observere en gruppe på i alt 28 stjerner, som kredser meget tæt omkring det område i Mælkevejens centrum ved navn Sagittarius A*, hvor man antog, at det sorte hul måtte befinde sig.
Disse observationer af stjernernes baner gav det endelige bevis for, at det sorte hul virkelig eksisterer, og at det har en masse på noget over 4 millioner gange Solens masse.
Måtte være et sort hul
Det er en stor fordel at følge stjerner, som på kort afstand bevæger sig rundt om det sorte hul, for ud fra stjernernes baner kan man nemlig ret præcist beregne hullets masse.
Tidligere havde man kun kendt Sagittarius A* som en intens og meget kompakt radiokilde.
Det var med avancerede metoder lykkedes at bestemme kildens radius til 0,3 AE, hvilket så nogenlunde svarer til afstanden mellem Solen og Merkur.
Men nu fik man så en massebestemmelse på over 4 millioner solmasser, og det er simpelthen umuligt at have så meget masse i et så lille område, uden at det hele kollapser til et sort hul.
Den afslørende stjerne S2
I den gruppe af stjerner, man havde fundet, er der en stjerne, som skiller sig ud.
Det er den, der kommer tættest på det sorte hul og dermed kan give de bedste data om hullet.
Stjernen har det ikke særlig romantiske navn S2, men den udmærker sig ved at have en omløbstid på kun 16 år om hullet. Når S2 er tættest på Sagittarius A*, er afstanden kun 120 AE eller 17 lystimer.
Enheden AE svarer til afstanden mellem Solen og Jorden.
En afstand på 120 AE betyder, at når S2 runder det sorte hul, har den en afstand, som er mindre end fire gange afstanden ud til Pluto.
Farten på det tidspunkt er også ganske stor – over 5.000 kilometer i sekundet.
Forudsagt af Einstein
To ting har S2 vist os: Den kommer så tæt på det sorte hul, at tyngdefeltet fra hullet påvirker lyset fra stjernen, så det bliver rødforskudt.
Denne såkaldte gravitationsrødforskydning er forudsagt af Einstein, og målingerne passer med teorien.
Den anden ting er, at banen præcesserer: Det vil sige, at Ellipsebanen ikke ligger stabilt i rummet, men drejer sig langsomt. Også det havde Einstein forudsagt, og igen passer målinger og teori sammen.
Målingerne kan desuden bruges til at bestemme, hvor meget stof der er i nærheden af det sorte hul.
Disse målinger nævnes ikke af Nobelkomiteen, men vi har taget dem med alligevel, fordi Reinhard Genzel og Andrea Ghez netop har fået Nobelprisen for en lang række af observationer, som gradvist har opbygget vores viden om det sorte hul i Mælkevejens centrum, og S2 er netop et eksempel på sådanne målinger.
