Roterande svarta hål driver universums starkaste ljuskällor

Det tog nästan 50 år efter att Albert Einstein hade formulerat den allmänna relativitetsteorin, som bland annat förutsäger att det kan finnas svarta hål, innan någon lyckades beskriva hur ett realistiskt svart hål beter sig.

– Det var ett stort steg när Roy Kerr hittade lösningen, säger Bengt Gustafsson, professor emeritus i teoretisk astrofysik vid Uppsala universitet.

Svarta hål har så stark dragningskraft att ingenting, inte ens ljuset, kan lämna dem. I hålets mitt finns en punkt som kallas för en singularitet, där gravitationen är oändligt stor. Hålet är omgivet av en gräns: händelsehorisonten. Allt som passerar den kommer att falla ned mot singulariteten som i ett bottenlöst hål. Det är som att paddla kanot vid Niagarafallet. Ovanför vattenfallet har du en chans att klara dig, bara du är så stark att du orkar paddla motströms. Men så fort du kommer över kanten finns det ingen återvändo.

Fysikerna hade klart för sig hur rymden runt ett stillastående svart hål borde se ut. Problemet var att svarta hål ute i universum med största sannolikhet inte alls är stillastående.

– Vi vet att stjärnor roterar och har därför all anledning att tro att även svarta hål gör det, säger Bengt Gustafsson.

År 1963 publicerade Roy Kerr en artikel, som bara var en och en halv sida lång, om roterande svarta hål. Hans lösning bjöd på en hel del överraskningar, enligt Bengt Gustafsson.

– Han fann att hålen har en väldigt intressant struktur, med två händelsehorisonter. Och singulariteten är inte en punkt utan ligger som en ring. Det har lett till en hel del spekulationer. Skulle vi till exempel kunna resa igenom ringen?

Det var långtifrån självklart att Roy Kerr skulle bli en framstående forskare. Han föddes 1934 i den lilla staden Gore i Nya Zeeland som son till en bilmekaniker och hade en besvärlig barndom. Hans far var notoriskt otrogen, och hans mor lämnade familjen när Roy Kerr var tre år. När fadern sedan kallades ut i andra världskriget blev den unge Roy placerad i en annan familj.

Som tolvåring arbetade Roy Kerr i sin pappas företag med att strimla gummiband till tätningsringar till syltburkar. I skolan hade han dåliga lärare, och även på universitetet i Canterbury fanns brister i matematik- och fysikundervisningen.

1955 kom han till Cambridge i England på ett stipendium men hade svårt att hitta en handledare eftersom han hade luckor i sin utbildning.

I början var det få som uppmärksammade Roy Kerrs lösning för roterande svarta hål. Han blev deprimerad, och ägnade sig alltmer åt att spela golf och bridge.

1971 återvände Roy Kerr till universitetet i Canterbury. 1993 gick han i pension och ville segla jorden runt, men hann inte långt innan båten kapsejsade. Han klarade sig men fick ge upp världsomseglingen.

– Han är en mycket intressant person men blygsam, säger Bengt Gustafsson.

Utanför den yttre händelsehorisonten vid ett roterande svart hål finns ett område som kallas ergosfären, där gravitationen från det svarta hålet är så stark att själva rumtiden dras med i hålets rotation. Ergon betyder arbete på grekiska, och Roger Blandford, den andre astronomipristagaren, och hans studenter vid Stanforduniversitetet i Kalifornien kunde på 1970-talet visa hur ergosfären kan fungera som en motor för radiogalaxer och så kallade kvasarer. Kvasarer är unga galaxkärnor som lyser flera hundra gånger starkare än vanliga galaxer, och radiogalaxer sänder ut upp till en miljon gånger starkare radiovågsstrålning än andra.

Ljuset och strålningen skapas när gas och laddade partiklar faller in mot det svarta hålet. Gasen hettas upp och samlas i en roterande och starkt lysande skiva innan den antingen sugs in i hålet eller slungas i väg i två smala strålar hundratusentals ljusår ut i rymden.

– Roger Blandford visade hur det går att få ut så enormt mycket energi ur det svarta hålets rotation, säger Bengt Gustafsson.

All energi som strålar ut från det svarta hålet gör att det börjar rotera långsammare och långsammare. Så småningom tar också gasen i närheten slut. Efter mellan 10 och 100 miljoner år slocknar kvasaren. Att vi fortfarande ser kvasarer på stjärnhimlen beror på att de ligger långt bort, ibland flera miljarder ljusår från oss, och att det tar tid för ljuset från dem att nå hit. Ljuset vi ser skickades alltså ut för mycket länge sedan, när universum fortfarande var ungt.

Tillsammans har de båda pristagarna skapat en fungerande bild av roterande svarta hål.

– Roy Kerr gav oss skelettet till teorin om de svarta hålen, och astrofysikern Roger Blandford satte kött på skelettet. På det sättet fick vi en varelse som går själv, säger Bengt Gustafsson.

De första kvasarerna upptäcktes 1963, samma år som Roy Kerr första gången presenterade sin beskrivning av de roterande svarta hålen.

– Tack vare Roy Kerr och Roger Blandford kan vi nu förstå två fenomen, svarta hål och kvasarer, som för 50 år sedan tedde sig helt obegripliga. De har kopplat ihop universums mest ljusstarka objekt med de svarta hålen, säger Bengt Gustafsson.

Läs mer: Om Crafoordpristagaren Yakov Eliashberg