Svarta hål kanske inte existerar, men fuzzballs kan göra det, enligt en vild teori

Svarta hål är de i särklass mest mystiska objekten i universum. De är objekt i kosmos där all vår kunskap om fysik fullständigt bryter samman.

Och ändå existerar de trots sin uppenbara omöjlighet. Men tänk om dessa gravitationsmonster inte alls är svarta hål, utan snarare den kosmiska motsvarigheten till luddiga, vibrerande bollar av strängar?

Ny forskning tyder på att så kan vara fallet, och att vi med kommande observationer faktiskt kan komma att kunna se dem.

Relaterat: De största upptäckterna av svarta hål

Problemet med svarta hål

Svarta hål förekommer i Einsteins allmänna relativitetsteori, och med all rätt borde de helt enkelt inte existera. Enligt den teorin kan gravitationen bli överväldigande stark om en klump materia pressas ihop till en tillräckligt liten volym. Denna vansinniga gravitationella kompression kan konkurrera ut någon av de andra fyra grundläggande naturkrafterna – som den starka kärnkraften som håller ihop klumpen av materia. När en viss kritisk tröskel har uppnåtts, trycker och trycker klumpen av materia bara ihop sig och komprimeras ner till en oändligt liten punkt.

Den oändligt lilla punkten kallas singulariteten, och den omges av en yta som kallas händelsehorisonten – den plats där gravitationens inåtriktade dragningskraft överstiger ljusets hastighet.

Den oändligt lilla punkten existerar förstås inte, så den här bilden verkar felaktig. Men i mitten av 1900-talet började astronomer hitta objekt som såg ut som svarta hål, agerade som svarta hål och förmodligen luktade som svarta hål också. Trots att de var omöjliga fanns de där och flöt omkring i universum.

Och det är inte det enda problemet. År 1976 insåg fysikern Stephen Hawking att svarta hål inte är helt svarta. På grund av kvantmekanikens konstigheter avdunstar svarta hål långsamt. Detta ledde till en paradox: All information som faller in i ett svart hål blir inlåst inuti. Men Hawkings strålning för inte bort den informationen (åtminstone inte såvitt vi förstår). Så när det svarta hålet så småningom avdunstar, vad händer då med all denna information?

Relaterat: Stephen Hawkings mest långsökta idéer om svarta hål

En sträng lösning

Under årtiondena har teoretiska fysiker arbetat hårt för att hitta något – vad som helst – för att förklara svarta hål. Något som förklarar informationsparadoxen och något som ersätter singulariteten med matematik som fungerar.

En av dessa teoretiker är de som arbetar med strängteori, vilket är en modell av universum som ersätter alla partiklar och krafter som du älskar med subatomära, vibrerande strängar. Enligt strängteorin är dessa strängar de grundläggande beståndsdelarna i universums materia, men vi kan inte se dem som strängar eftersom de är så små. Åh, och för att strängteorins matematik ska fungera måste det finnas extra dimensioner – alla små alla som krullats ihop på sig själva till subatomära skalor så att vi inte ser dem heller.

Strängteorin gör anspråk på att vara en teori om allting, som kan förklara alla slags partiklar, alla slags krafter och i stort sett allting i universum (och, för fullständighetens skull, hela hela hela universum självt).

Så strängteorin borde kunna förklara det oförklarliga: den borde kunna ersätta svarta hål med något mindre skrämmande.

Och strängteoretiker har faktiskt föreslagit en mindre skrämmande ersättning för svarta hål. De kallas fuzzballs.

Undraveling the yarn

I strängteorin är svarta hål varken svarta eller hål. I stället är den bästa metaforen för att förklara vad en fuzzball är att titta på ett annat kompakt och konstigt objekt i universum: neutronstjärnor.

Nutronstjärnor är vad som händer när ett objekt inte riktigt har tillräckligt med gravitation för att komprimeras till vad vi kallar ett svart hål. I en neutronstjärna är materian komprimerad till sin högsta möjliga densitet. Neutroner är en av de grundläggande beståndsdelarna i atomer, men de spelar vanligtvis tillsammans med andra partiklar som protoner och elektroner. Men i en neutronstjärna bryts den typen av atomärt kamratskap ner och löses upp, och kvar blir bara neutroner som trängs ihop så tätt som möjligt.

Med fuzzballs slutar de fundamentala strängarna att arbeta tillsammans och trängs helt enkelt ihop och blir en stor, ja, boll av strängar. En fuzzball.

Fuzzballs är inte fullt utvecklade, inte ens i teorin, för hur häftig strängteorin än låter har ingen någonsin kunnat komma fram till en fullständig matematisk lösning för den – och därför är fuzzballs inte bara luddiga i den fysiska verkligheten, utan också luddiga i den matematiska möjligheten.

Tillbaka till det kan vi kanske hitta fuzzballs med hjälp av kommande undersökningar, vilket beskrivs i en översiktsartikel som publicerades den 27 oktober i preprint-tidskriften arXiv. Vi har just nu börjat gå förbi bevisningen av svarta håls existens och övergå till

att undersöka detaljerna i hur de beter sig, och vårt bästa sätt att göra det är med hjälp av gravitationsvågor.

När svarta hål kolliderar och smälter samman släpper de ut en tsunami av gravitationsvågor, som sköljer över kosmos och så småningom når våra detektorer på jorden. För alla de dussintals sammanslagningar av svarta hål som vi hittills har bevittnat är gravitationsvågssignaturen exakt vad den allmänna relativitetsteorin förutsäger att svarta hål ska göra.

Men framtida instrument, som det avancerade Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) och Laser Interferometer Space Antenna (en föreslagen rymdbaserad gravitationsvågsdetektor), kan kanske ha den känslighet som krävs för att kunna se skillnad på normala svarta hål och strängar som är fuzzballs. Jag säger ”kanske” eftersom olika modeller för fuzzballs förutspår olika variationer från det normala beteendet hos svarta hål.

Om vi kan hitta bevis för fuzzballs skulle det inte bara besvara frågan om vad svarta hål egentligen är; det skulle avslöja några av naturens djupaste underliggande faktorer.

Originellt publicerat på Live Science.