Letošní Nobelova cena za fyziku byla udělena třem vědcům za jejich práci v oblasti černých děr. Polovinu ceny obdrží britský kosmolog Roger Penrose, druhou polovinu si rozdělí německý astrofyzik Reinhard Genzel a americká astrofyzička Andrea Ghez. Ghez je teprve čtvrtou ženou v historii, která tuto úctyhodnou cenu za fyziku získala.
„Letošní cena se týká nejtemnějších tajemství vesmíru,“ řekl na tiskové konferenci Göran K. Hansson, generální tajemník Švédské královské akademie věd. Akademie ocenila Penrose za jeho „objev, že vznik černých děr je spolehlivou předpovědí obecné teorie relativity,“ dodal Hansson, zatímco Ghez a Genzel byli oceněni „za objev supermasivního kompaktního objektu v centru naší galaxie.“
Černé díry jsou oblasti vesmíru, v nichž je gravitační síla tak silná, že z nich neunikne ani světlo. Abyste takovou díru vytvořili, řekl při této příležitosti Ulf Danielsson, fyzik z Nobelova výboru pro fyziku, „museli byste stlačit Slunce do oblasti o průměru jen několika kilometrů – nebo stlačit Zemi na velikost hrášku“. V srdci každé černé díry by se nacházela „singularita“, bod, v němž gravitace stlačuje hmotu do nekonečné hustoty, zahalený „horizontem událostí“, za nímž by se cokoli, co do něj spadne, nemohlo vrátit do širšího vnějšího vesmíru. Ačkoli vědci o jejich existenci spekulovali již po staletí, nebylo jasné, zda se takové extrémní objekty mohou vyskytovat ve skutečnosti. Dokonce i Albert Einstein – jehož obecná teorie relativity tvoří moderní základ pro pochopení černých děr – o jejich existenci pochyboval.
V roce 1965 však Penrose, fyzik, který spolupracoval se Stephenem Hawkingem a nyní je emeritním profesorem na Oxfordské univerzitě, matematicky „ukázal, že černé díry mohou skutečně existovat a vznikají stabilním a robustním procesem“ v souladu s Einsteinovými teoriemi, řekl novinářům David Haviland, fyzik z Královského technologického institutu KTH ve Švédsku a předseda výboru pro udělení ceny za fyziku.
„Penrose a Hawking dokázali, že pro hvězdy určitého typu jsou černé díry v podstatě nevyhnutelným výsledkem hvězdného kolapsu,“ říká Sabine Hossenfelderová, teoretická fyzička z Frankfurtského institutu pro pokročilá studia v Německu. „Před touto průlomovou prací si většina fyziků myslela, že černé díry jsou pouhou matematickou kuriozitou, která se objevuje v obecné teorii relativity, ale že ve skutečnosti nebudou existovat. Místo toho se ukázalo, že černé díry se těžko vyhnou hvězdnému kolapsu a že vesmír by jich měl být plný….. Příběh objevu černých děr názorně ukazuje, jak mocná může být čistá matematika při snaze o pochopení přírody.“
Penroseova práce o černých dírách se nezastavila u prokázání jejich možnosti v rámci obecné teorie relativity, poznamenává Avi Loeb, astrofyzik z Harvardovy univerzity a ředitel její Iniciativy pro černé díry. Penrose také ukázal, jak získat energii z rotujících černých děr – takzvaný Penroseův proces, který může hrát důležitou roli při pohonu kvazarů, ultrasvítivých objektů spojených s žravými černými dírami v jádrech vzdálených starých galaxií. A Penroseova „hypotéza kosmické cenzury“, říká Loeb, „zachraňuje naši schopnost předpovídat budoucnost v celém vesmíru před patologií singularit spojených s černými dírami, kde se Einsteinova teorie rozpadá….. Stejně jako v Las Vegas platí, že ‚co se stane uvnitř horizontu událostí, zůstane uvnitř horizontu událostí‘.“
Zatímco Penrose, Hawking a další teoretici kodifikovali fyzikální základy černých děr, pozorovací astronomové tyto exotické objekty stále podrobněji hledali a studovali.
V 90. letech 20. století se začal objevovat průlomový objev. Genzel – ředitel infračervené astronomie na Institutu Maxe Plancka pro mimozemskou fyziku v německém Garchingu – a Ghez – profesor na Kalifornské univerzitě v Los Angeles – vedli nezávislý výzkumný tým, který používal výkonné infračervené teleskopy rozšířené o adaptivní optiku, aby nahlédl do prachem zahaleného srdce Mléčné dráhy. Oba týmy tam byly svědky rojení hvězd kolem záhadného centrálního temného zdroje, neviditelného objektu, který podle pohybů hvězd musel mít hmotnost čtyř milionů Sluncí. „Neexistuje jiné vysvětlení než supermasivní černá díra,“ řekl Danielsson.
Pozdější pozorování, především z Hubbleova vesmírného dalekohledu, odhalila, že takovéto černé díry se skrývají v centrech většiny velkých galaxií v pozorovatelném vesmíru. Tato pozorování naznačují, že tyto objekty, které zdaleka nejsou pouhými astrofyzikálními arkádami, jsou možná nejdůležitějšími stavebními kameny vesmíru pro velkorozměrové vesmírné struktury.
„Věda je tak důležitá a prezentace reality našeho fyzikálního světa je pro nás jako pro lidské bytosti zásadní,“ řekla Ghez v rozhovoru s novináři poté, co se dozvěděla o svém ocenění. „Nemáme tušení, co se nachází uvnitř černých děr….. Skutečně představují rozpad našeho chápání fyzikálních zákonů. To je část intrik – stále to nevíme.“
Týmy Genzelové a Ghezové pokračují v nových objevech o centrální supermasivní černé díře Mléčné dráhy, označované jako Sagittarius A*, jako jsou uzly přehřátého plynu, které se při spirálovém pohybu do záhuby rozzáří. Nová zařízení, včetně Laserové interferometrické observatoře gravitačních vln (LIGO) a interferometru Virgo, zkoumají splývající dvojice černých děr pomocí detekce jejich emisí vlnění v časoprostoru zvaných gravitační vlny. A probíhající rádiová pozorování Sagittarius A*, stejně jako podobné výzkumy dalšího supermasivního objektu v blízké galaxii M87, které provádí globální dalekohled Event Horizon Telescope (EHT), vytvářejí převratné snímky těchto vesmírných monster zblízka.
„Všechny tyto průlomové techniky nás přibližují k hranici neznáma více než kdykoli předtím a nabízejí nové způsoby studia nejzáhadnějších objektů ve vesmíru a testování našich nejzákladnějších teorií,“ říká Sheperd Doeleman, zakládající ředitel EHT. „Výsledky posledních několika let nám umožnily klást si otázky, které bychom dříve nedokázali formulovat. Ale co je důležitější, umožňují nám snít ve velkém. Práce, kterou dnes oslavují Nobelovy ceny, je transformativní a budoucnost černých děr, jak se říká, je zářivá!“
„Není to jen staré dobrodružství, které se blíží ke svému triumfálnímu konci,“ řekl Danielsson. „Je to začátek nového. Jak budeme zkoumat stále blíže k horizontům černých děr, příroda nám možná přichystá nová překvapení.“