Ända sedan den allmänna relativitetsteorin pekade på förekomsten av svarta hål har forskarvärlden varit skeptisk till en märklig egenskap: singulariteten i centrum – en punkt, dold bakom händelsehorisonten, där de fysikaliska lagar som styr resten av universum tycks bryta samman fullständigt. Under en tid har forskare arbetat med alternativa modeller som är fria från singulariteter.
En ny artikel publicerad i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, som är resultatet av arbete utfört vid Institutet för fundamental fysik i universum (IFPU) i Trieste, ger en översikt över den senaste utvecklingen inom detta område. Artikeln beskriver två alternativa modeller, föreslår observationstester och undersöker hur denna forskningsinriktning också skulle kunna bidra till utvecklingen av en teori om kvantgravitation.
”Hic sunt leones”, säger Stefano Liberati, en av författarna till artikeln och direktör för IFPU. Uttrycket hänvisar till den hypotetiska singularitet som förutses i centrum av standard svarta hål – de som beskrivs av lösningarna till Einsteins fältekvationer. För att förstå vad detta innebär är det bra med en kort historisk återblick.
1915 publicerade Einstein sitt banbrytande verk om allmän relativitetsteori. Bara ett år senare fann den tyske fysikern Karl Schwarzschild en exakt lösning på dessa ekvationer, vilket innebar att det fanns extrema objekt som nu kallas svarta hål. Dessa är objekt med en så koncentrerad massa att ingenting – inte ens ljus – kan undkomma deras gravitationskraft, därav termen ”svarta”.
Redan från början uppstod dock problematiska aspekter som utlöste en decennielång debatt. På 1960-talet blev det klart att rymdtidskrökningen blir verkligt oändlig i centrum av ett svart hål: en singularitet där fysikens lagar – eller så verkar det – upphör att gälla.
Om denna singularitet var verklig, och inte bara en matematisk artefakt, skulle det innebära att den allmänna relativitetsteorin bryter samman under extrema förhållanden. För en stor del av forskarsamhället har termen ”singularitet” blivit en sorts vit flagg: den signalerar att vi helt enkelt inte vet vad som händer i det området.
Trots den pågående debatten om singulariteter har de vetenskapliga bevisen för svarta håls existens fortsatt att växa sedan 1970-talet, vilket kulminerade i stora milstolpar som Nobelpriset i fysik 2017 och 2020.
Viktiga ögonblick är den första upptäckten av gravitationsvågor 2015 – som avslöjade sammansmältningen av två svarta hål – och de extraordinära bilder som Event Horizon Telescope (EHT) tog 2019 och 2022. Men ingen av dessa observationer har hittills gett definitiva svar om singulariteternas natur.
Okänd territorium
Och detta leder oss tillbaka till de ”leones” som Liberati refererar till: vi kan bara beskriva svarta hålens fysik upp till ett visst avstånd från centrum. Bortom det ligger mysteriet – en oacceptabel situation för vetenskapen.
Därför har forskare länge sökt efter ett nytt paradigm, där singulariteten ”läks” av kvanteffekter som gravitationen måste uppvisa under sådana extrema förhållanden. Detta leder naturligt till modeller av svarta hål utan singulariteter, som de som undersöks i Liberatis och hans medarbetares arbete.
En av de intressanta aspekterna av den nya artikeln är dess samarbetsbaserade ursprung. Den är varken resultatet av en enskild forskargrupp eller en traditionell översiktsartikel. ”Det är något mer”, förklarar Liberati.
”Den är resultatet av en rad diskussioner mellan ledande experter inom området – teoretiker och fenomenologer, juniora och seniora forskare – som alla samlades under en särskild IFPU-workshop. Artikeln är en syntes av de idéer som presenterades och diskuterades under sessionerna, som i stort sett motsvarar artikelns struktur.”
Enligt Liberati ligger mervärdet i själva samtalet: ”I flera frågor hade deltagarna initialt skilda åsikter – och vissa avslutade sessionerna med åtminstone delvis ändrade åsikter.”
Två icke-singulära alternativ
Under mötet skisserades tre huvudsakliga modeller för svarta hål: det standardmässiga svarta hålet som förutses av den klassiska allmänna relativitetsteorin, med både en singularitet och en händelsehorisont; det reguljära svarta hålet, som eliminerar singulariteten men behåller horisonten; och det svarta hålet som imiterar, som reproducerar de yttre egenskaperna hos ett svart hål men varken har en singularitet eller en händelsehorisont.
Artikeln beskriver också hur vanliga svarta hål och imitationer kan bildas, hur de eventuellt kan omvandlas till varandra och, viktigast av allt, vilka observationstester som en dag kan skilja dem från standardmodellen av svarta hål.
Även om de observationer som hittills samlats in är banbrytande, säger de inte allt. Sedan 2015 har vi upptäckt gravitationsvågor från svarta hål som smälter samman och fått bilder av skuggorna av två svarta hål: M87* och Sagittarius A*. Men dessa observationer fokuserar bara på utsidan – de ger ingen insikt i om det finns en singularitet i centrum.
”Men allt är inte förlorat”, säger Liberati. ”Vanliga svarta hål, och särskilt mimickers, är aldrig exakt identiska med vanliga svarta hål – inte ens utanför horisonten. Så observationer som undersöker dessa områden kan indirekt ge oss information om deras inre struktur.”
För att göra detta måste vi mäta subtila avvikelser från Einsteins teori med hjälp av allt mer sofistikerade instrument och olika observationskanaler. I fallet med mimickers skulle till exempel högupplösta bilder från Event Horizon Telescope kunna avslöja oväntade detaljer i ljuset som böjs runt dessa objekt – till exempel mer komplexa fotonringar.
Gravitationsvågor kan visa subtila avvikelser som är förenliga med icke-klassiska rumtidsgeometrier. Och termisk strålning från ytan av ett objekt utan horisont – som en mimicker – skulle kunna ge ytterligare en lovande ledtråd.
En lovande framtid
Nuvarande kunskap är ännu inte tillräcklig för att avgöra exakt vilken typ av störningar vi bör leta efter eller hur starka de kan vara. Men betydande framsteg inom teoretisk förståelse och numeriska simuleringar förväntas under de kommande åren. Dessa kommer att lägga grunden för nya observationsverktyg, som är särskilt utformade med alternativa modeller i åtanke.
Precis som med gravitationsvågor kommer teorin att vägleda observationerna – och sedan kommer observationerna att förfina teorin, kanske till och med utesluta vissa hypoteser.
Denna forskningsinriktning är mycket lovande: den kan bidra till utvecklingen av en kvantteori om gravitation, en bro mellan allmän relativitetsteori – som beskriver universum i stor skala – och kvantmekanik, som styr den subatomära världen.
”Framtiden för gravitationforskningen är verkligen spännande”, avslutar Liberati. ”Vi går in i en era där ett stort och outforskat landskap öppnar sig framför oss.”
Mer information: Raúl Carballo-Rubio et al, Towards a Non-singular Paradigm of Black Hole Physics, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2025). På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2501.05505
