Το Νόμπελ Φυσικής τιμά τις ανακαλύψεις για τις μαύρες τρύπες
Το Νόμπελ Φυσικής φέτος τιμά πρωτοποριακές μελέτες σχετικά με τη φύση των μαύρων τρυπών, συμπεριλαμβανομένης της ανακάλυψης της γιγαντιαίας που κρύβεται στην καρδιά του Γαλαξία μας.
Το μισό βραβείο πηγαίνει στον Roger Penrose, μαθηματικό στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, για το έργο του τη δεκαετία του 1960 σχετικά με το σχηματισμό και τη σταθερότητα των μαύρων τρυπών. Το άλλο μισό μοιράζονται δύο αστρονόμοι:ο Reinhard Genzel του Ινστιτούτου Max Planck για την Εξωγήινη Φυσική και ο Andrea Ghez του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες. Από τη δεκαετία του 1990, ηγήθηκαν ανταγωνιστικών ερευνητικών ομάδων που παρακολουθούσαν αστέρια στο κέντρο του Γαλαξία και έδειξαν ότι οι τροχιές τους κάμπτονταν από αυτό που είναι γνωστό ως υπερμεγέθη μαύρη τρύπα (SMBH).
Η ιδέα μιας μαύρης τρύπας - ένα αντικείμενο τόσο μαζικό που η βαρύτητα του εμποδίζει το φως να διαφύγει - εμφανίστηκε σε κομμάτια κατά τη διάρκεια δεκαετιών. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν δημοσίευσε τη θεωρία της βαρύτητας, τη γενική θεωρία της σχετικότητας, το 1915. Δηλώνει ότι η βαρύτητα προκύπτει όταν η μάζα και η ενέργεια παραμορφώνουν τον ιστό του χώρου και του χρόνου, προκαλώντας την καμπύλη των τροχιών των αντικειμένων που πέφτουν ελεύθερα όπως η ελλειπτική τροχιά της Γης γύρω από τον Ήλιο . Μόλις 1 χρόνο αργότερα, ο Γερμανός φυσικός Karl Schwarzschild επεξεργάστηκε το σχήμα του λάκκου στο χωροχρόνο που θα δημιουργούσε μια σημειακή μάζα και έδειξε ότι προβλέπει έναν ορίζοντα γεγονότων. Αυτό σηματοδοτεί την άκρη μιας σφαίρας γύρω από τη σημειακή μάζα από την οποία το φως μπορεί ακόμα να διαφύγει.
Ωστόσο, η όλη ιδέα ότι τα καμένα αστέρια θα μπορούσαν στην πραγματικότητα να οδηγήσουν σε αυτά τα παράξενα κενά στο διάστημα δεν έφτασε μέχρι το 1939. Τότε ήταν που οι φυσικοί J. Robert Oppenheimer και George Volkoff υπολόγισαν ότι, εάν ένα αστέρι νετρονίων γινόταν πολύ μεγάλο, θα έπρεπε να καταρρεύσει κάτω από το δικό του βάρος σε ένα απειροελάχιστο σημείο, αφήνοντας πίσω μόνο το εξαιρετικά έντονο βαρυτικό του πεδίο. Το έργο τους προμήνυε την τρέχουσα κατανόηση των αστροφυσικών για τις μαύρες τρύπες αστρικής μάζας, οι οποίες σχηματίζονται όταν καίγονται αστέρια με επαρκή μάζα και οι πυρήνες τους καταρρέουν.
Ο Οπενχάιμερ και οι συνεργάτες του δεν απέδειξαν ότι το αστέρι που εκρήγνυε έπρεπε να σχηματίσει έναν ορίζοντα γεγονότων. Ήταν κατανοητό ότι η ύλη θα μπορούσε με κάποιο τρόπο να στροβιλιστεί μακριά - ή ότι το βαρυτικό πεδίο του νεκρού άστρου μπορεί να μην κολλήσει. Στη δεκαετία του 1960, ο Penrose έδειξε με εξαιρετική μαθηματική αυστηρότητα ότι ο σχηματισμός μιας μαύρης τρύπας ήταν ουσιαστικά αναπόφευκτος και ότι θα ήταν άφθαρτη, αυξάνοντας καθώς καταβρόχθιζε περισσότερη μάζα. «Δεν είχε σημασία τι έκανες, ο ορίζοντας ήταν πάντα εκεί», λέει ο Clifford Will, ειδικός στη γενική σχετικότητα στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα. "Δεν θα διαλυόταν, μόνο θα μεγάλωνε."
Ο Will προτείνει ότι το βραβείο θα μπορούσε να θεωρηθεί ως ένα είδος βραβείου για τον Stephen Hawking, ο οποίος πέθανε το 2018 και με τον οποίο συνεργάστηκε η Penrose. Στην πραγματικότητα, οι βασικές προβλέψεις του Penrose πλαισιώνονται στα λεγόμενα θεωρήματα Hawking Penrose. Ο Penrose σημειώνει ότι ο Χόκινγκ πήρε τις ιδέες του σχετικά με το σχηματισμό οριζόντων γύρω από τις μαύρες τρύπες και τις εφάρμοσε στην κοσμολογία και τη γέννηση του σύμπαντος. "Ήταν ξεκάθαρα πρόοδοι σε αυτό που είχα κάνει", λέει ο Penrose.
Εν ολίγοις, ο Penrose έδειξε ότι η γενική σχετικότητα υπονοούσε ότι η μαύρη τρύπα θα ήταν ένα πραγματικό, σταθερό αστροφυσικό αντικείμενο, λέει ο Ulf Danielsson, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα και μέλος της επιτροπής Nobel φυσικής. "Ο Penrose έθεσε μια θεωρητική βάση ώστε να μπορούμε να πούμε, "Ναι, υπάρχουν αυτά τα αντικείμενα, μπορούμε να περιμένουμε να τα βρούμε αν βγούμε έξω και τα ψάξουμε."
Από την πρόοδο του Penrose, οι αστρονόμοι έχουν βρει πληθώρα αποδεικτικών στοιχείων για τις μαύρες τρύπες. Βρήκαν αστέρια σε τροχιά γύρω από αόρατους συντρόφους και μπορούσαν να δουν υπέρθερμα αέρια να λάμπουν καυτά καθώς εξαφανίζονταν σε υποτιθέμενες μαύρες τρύπες. Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων παρείχαν το κλειδί για τέτοιες μαύρες τρύπες αστρικού μεγέθους, αλλά όχι τους γαλαξιακούς γίγαντες.
Αυτός στο κέντρο του Γαλαξία, γνωστός ως Τοξότης Α* (Sgr A*), ζυγίζει εκατομμύρια ηλιακές μάζες και απέχει μόλις 26.000 έτη φωτός μακριά. Αλλά εκτός από μαύρο, είναι αρκετά μικρό:ο ορίζοντας γεγονότων του θα ταίριαζε στην τροχιά του Ερμή. Επιπλέον, το γαλαξιακό κέντρο καλύπτεται από αδιάκριτα τηλεσκόπια από αέριο και σκόνη.
Ωθώντας τις τεχνικές παρατήρησης στα όριά τους, οι ομάδες sparring των Ghez και Genzel πραγματοποίησαν μια πολύ απλή μελέτη:Χαρτογράφησαν την πρόοδο ενός μεμονωμένου άστρου καθώς περιφερόταν κοντά στο Sgr A* και έδειξαν, μέσω απλής Νευτώνειας μηχανικής, ότι το αντικείμενο που ήταν σε τροχιά έπρεπε να έχουν μια κολοσσιαία μάζα. "Με τη φυσική του γυμνασίου, μπορείτε να καταλάβετε πολύ ότι πρέπει να υπάρχει κάτι υπερμεγέθη εκεί που δεν μπορούμε να δούμε", λέει η Selma de Mink, θεωρητική αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ.
Οι μελέτες τους ενεργοποιήθηκαν από ανιχνευτές υπερύθρων. Τα μήκη κύματος περίπου 2 μικρομέτρων αποδείχθηκαν ένα γλυκό σημείο:Αυτά τα υπέρυθρα φωτόνια μπορούσαν να διαπεράσουν την ομίχλη και δεν διαταράχτηκαν πολύ από τις αναταράξεις στην ατμόσφαιρα της Γης. Τα υπέρυθρα μήκη κύματος ήταν επίσης αρκετά μικρά για να εντοπίσουν τα αστέρια με σχετικά ακρίβεια.
Στη δεκαετία του 1990, οι ομάδες του Genzel και του Ghez συνδέθηκαν και οι δύο σε ένα μόνο αστέρι, γνωστό ως S2 ή S0-2 από τις δύο ομάδες, το οποίο είναι το πιο κοντινό αστέρι στο γαλαξιακό κέντρο που έχει ακόμη εντοπιστεί. «Ο Andrea και ο Reinhard είχαν έναν θρυλικό ανταγωνισμό όλα αυτά τα χρόνια, ο οποίος κράτησε το πεδίο σε κίνηση», λέει ο αστροφυσικός Heino Falcke από το Πανεπιστήμιο Radboud. Για να λάβουν μια ακριβή επιδιόρθωση στο S2, οι ομάδες χρειάστηκαν τα μεγαλύτερα διαθέσιμα τηλεσκόπια:τα τέσσερα τηλεσκόπια 8 μέτρων του Europe's Very Large Telescope στην περίπτωση του Genzel και τα δίδυμα τηλεσκόπια Keck 10 μέτρων για το Ghez.
Το 2002, η ελλειπτική τροχιά του S2 φάνηκε να φτάνει στο πλησιέστερο σημείο στο Sgr A*. Έφτασε μέσα σε 20 δισεκατομμύρια χιλιόμετρα ή 17 ώρες φωτός και ταξίδεψε με 5000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, 3% της ταχύτητας του φωτός. Οι ομάδες είχαν τότε αρκετή τροχιά για να βγάλουν συμπεράσματα σχετικά με το αόρατο αντικείμενο. Υπολόγισαν ότι πρέπει να ζυγίζει ισοδύναμο με 4 εκατομμύρια Ήλιους και να είναι ένα συμπυκνωμένο αντικείμενο:Θα μπορούσε να είναι μόνο μια μαύρη τρύπα. «Απέδειξαν μέσω παρατήρησης αυτό που είχε προβλέψει ο Penrose με τη θεωρία, ότι οι μαύρες τρύπες υπάρχουν στην πραγματικότητα», λέει ο Gerry Gilmore από το Πανεπιστήμιο του Cambridge.
Οι ομάδες συνέχισαν να ακολουθούν το S2 μέσω της πρώτης πλήρους τροχιάς του το 2008 και της δεύτερης κοντινής του προσέγγισης το 2018. Χρησιμοποίησαν αυτά τα δεδομένα για να υποβάλουν τη γενική σχετικότητα σε όλο και πιο αυστηρές δοκιμές. «Έβαλαν τα θεμέλια για υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες», λέει ο Falcke.
Όσο καλά ήταν τα αποτελέσματα του S2, οι ερευνητές θέλουν ακόμη πιο άμεσες αποδείξεις για την ύπαρξη SMBH. Και το 2019, το τηλεσκόπιο Event Horizon (EHT) πέτυχε να αποκαλύψει τη σκιά ενός ακόμη μεγαλύτερου τέρατος στο κέντρο του M87, ενός από τους γειτονικούς γαλαξίες του Γαλαξία. Αυτή η μαύρη τρύπα κρατά δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες. Η συνεργασία EHT προσπάθησε να απεικονίσει τον Sgr A*, αλλά μέχρι στιγμής έχει αποτραπεί στην παρουσίαση οριστικών αποτελεσμάτων.
Η Ghez είναι μόλις η τέταρτη γυναίκα που κέρδισε ποτέ βραβείο Νόμπελ Φυσικής και η δεύτερη τα τελευταία 3 χρόνια. «Αυτό σημαίνει πολλά για μένα», λέει ο de Mink. Τα τελευταία χρόνια, τα βραβεία Νόμπελ επιστήμης έχουν επικριθεί για την έλλειψη ποικιλομορφίας τους.
Στα 55 του, ο Ghez είναι επίσης ένας σχετικά νεαρός βραβευμένος. Ο Penrose, 89, είναι από τους γηραιότερους. Αλλά ο Penrose λέει ότι δεν μετανιώνει που περίμενε τόσο πολύ για να πάρει το βραβείο. «Ξέρω μερικούς ανθρώπους που πήραν Νόμπελ πολύ νωρίς και αυτό τους κατέστρεψε την επιστήμη», λέει. "Νομίζω ότι είμαι αρκετά μεγάλος."
