EHT-gruppen tycks ha producerat en ny spännande bild av ett supermassivt hål, denna gång i centrum av vår egen galax. Tidigare har man publicerat en bild av ett betydligt större hål i galaxen M87, men i själva verket registrerades underliggande radiodata för båda objekten redan 2017, och det har alltså tagit fem år att photoshoppa mästerverket.
Man anses därmed ha bekräftat att Sagittarius A*, som vårt centrala galaxhål kallas, är ett supermassivt svart hål, även om det har varit känt långt tidigare. Nobelpriset i fysik 2020 belönade just den upptäckten (Genzel och Ghez), som härrör från 2018.
Sedan åtminstone 1980-talet har misstanken funnits om att Sgr A* är ett svart hål, givet hur objektet interagerar gravitationellt med omgivningen, och rent allmänt hypotetiseras att alla galaxer har sådana förtätningar i kärnan. Det är en mer eller mindre given följd av hur massa ackumuleras i galaktiska centra.
Men saken ska förstås bevisas stringent, och det finns fler slags ultramassiva objekt utöver svarta hål, exempelvis neutronstjärnor. En svårighet är att man bara kan ge ett indirekt bevis, då svarta hål inte avger någon (mätbar) strålning – det är därför de kallas «svarta». I EHT-gruppens bilder ser man således det svarta hålets «skugga» i centrum av omgivande gas som accelereras runt hålets händelsehorisont.
Diskens storlek (Schwarzschild-radien) ges av rs = 2GM/c², där G är allmänna gravitationskonstanten, M hålets massa och c ljushastigheten. Härur kan man beräkna massan M, som därefter ligger till grund för gravitationella beräkningar för omgivande objekt. Vid överensstämmelse har man indirekt bevisat att det rör sig om ett svart hål.
För Sgr A* har vi rs = 12.2·10⁹ m, varför M = 8.26·1036 kg eller 4.15·10⁶ M☉ (solmassor). Uttryckt i astronomiska enheter är Sgr A*:s händelsehorisont 0.08 AU i radie, vilket kan jämföras med Merkurius på avstånd 0.4 AU från solen. Uttryckt i solradier (R☉ = 6.957·10⁸ m) har vi 17.5 gånger större radie för Sgr A* än solen, vilket motsvarar 725 gånger större volym.
Som jämförelse har vi för M87 massan M = 6.5·10⁹ M☉ (1566 gånger massivare) och radien rs = 120 AU, det vill säga ett svart hål vars radie sträcker sig 120 gånger sträckan mellan solen och jorden. Ändå är bilderna väldigt lika, vilket är ämnat bevisa att svarta hål definieras av ett fåtal parametrar, men i övrigt är strukturellt identiska.
I princip har man därmed lett i bevis att Schwarzschilds stationära lösningar av Einsteins fältekvationer har tillämpning i verkligheten, men i övrigt ger det ingen vidare förståelse för hålens inre karaktär. Vad är egentligen ett svart hål?
I termer av relativitetsteori är ett svart hål en singularitet, en lösning i vilken rumtiden går mot noll i volym samtidigt som tätheten närmar sig oändligheten, ett praktiskt resultat av division med noll i ekvationerna. I fysiken fnyser man gärna åt sådana absurda lösningar, eftersom de vanligen saknar verklighetsanknytning och indikerar en bristfällig modell.
Men det är ändå verkligheten, för i kvantmekanisk mening har vi just den omständigheten att materia degenereras i ett flertal steg, för att småningom uppta exakt samma kvanttal i en delad superponerad (våg)existens. Ett svart hål är en punkt utan utsträckning, på samma sätt som en enskild elementarpartikel. Skillnaden är att det svarta hålet bevarar summan av massan från de enskilda (forna) elementarpartiklar som bygger singulariteten – Higgs-fältet degenereras inte.
Om svarta hål saknar utsträckning i rummet, har de ändå en rumslig verkan i kraft av det samlade masstalet, och det är detta som ger Schwarzschild-radien och händelsehorisonten. Det är liktydigt med att tre kvarkar utan egen utsträckning i rummet tillsammans bildar en proton eller neutron med verkliga rumsliga dimensioner.
Kvantmekanik och relativitetsteori är ändå oförenliga, och åtminstone en av dem måste vara ofullständig, av allt att döma den senare. Relativitetsteori beskriver rumtidens geometri med kontinuerliga fältekvationer, medan kvantmekanik behandlar materians beskaffenhet i termer av vågekvationer och diskreta parametrar.
Det finns ingenting i kvantmekanik som beskriver rumtidens geometri, och ingenting i relativitetsteori som berättar om degenerering av materia, varför svarta hål bara kan förstås hjälpligt genom att kombinera två teorier som inte kan fusioneras med varandra.
Ändå är det i dessa naturens mest extrema företeelser man måste söka efter avvikelser från befintliga teoribildningar, för att småningom kunna formulera en ny fysik som medger en sammanfogning av gravitation och kvantmekanik. Det är ytterst detta som denna forskning syftar till, att leta efter anomalier snarare än att bekräfta redan kända fenomen.