Tämän vuoden fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin kolmelle tutkijalle heidän mustia aukkoja koskevasta työstään. Palkinnosta puolet saa brittiläinen kosmologi Roger Penrose, ja loput jaetaan saksalaisen astrofyysikon Reinhard Genzelin ja amerikkalaisen astrofyysikon Andrea Ghezin kesken. Ghez on vasta neljäs nainen historiassa, joka on saanut arvostetun fysiikkapalkinnon.
”Tämänvuotinen palkinto koskee maailmankaikkeuden pimeimpiä salaisuuksia”, sanoi Ruotsin kuninkaallisen tiedeakatemian pääsihteeri Göran K. Hansson lehdistötilaisuudessa. Akatemia tunnusti Penrosen ”löydöstä, jonka mukaan mustien aukkojen muodostuminen on yleisen suhteellisuusteorian vankka ennuste”, Hansson lisäsi, kun taas Ghez ja Genzel palkittiin ”galaksimme keskipisteessä olevan supermassiivisen kompaktin kohteen löytämisestä.”
Mustat aukot ovat avaruuden alueita, joissa gravitaatiovoima on niin voimakas, ettei niistä pääse pois edes valo. Sellaisen luomiseksi, sanoi fysiikan Nobel-komiteaan kuuluva fyysikko Ulf Danielsson tilaisuudessa, ”pitäisi puristaa aurinko vain muutaman kilometrin levyiseksi alueeksi – tai puristaa maapallo herneen kokoiseksi.” Jokaisen mustan aukon ytimessä olisi ”singulariteetti”, piste, jossa painovoima puristaa aineen äärettömään tiheyteen ja jota ympäröi ”tapahtumahorisontti”, jonka ulkopuolelle putoava aine ei voisi palata laajempaan maailmankaikkeuteen. Vaikka tiedemiehet olivat spekuloineet niiden olemassaololla vuosisatojen ajan, oli epäselvää, voisivatko tällaiset äärimmäiset kohteet esiintyä todellisuudessa. Jopa Albert Einstein, jonka yleinen suhteellisuusteoria muodostaa nykyaikaisen perustan mustien aukkojen ymmärtämiselle, epäili niiden olemassaoloa.
Mutta vuonna 1965 Penrose, Stephen Hawkingin kanssa työskennellyt fyysikko, joka on nykyään Oxfordin yliopiston emeritusprofessori, osoitti matemaattisesti, että mustia aukkoja voi todella olla olemassa, ja että ne voivat muodostua stabiilissa ja kestävässä prosessissa”, joka on sopusoinnussa Einsteinin teorioiden kanssa, kertoi toimittajille KTH:n kuninkaallisen teknologiainstituutin (KTH Royal Institute of Technology, Ruotsissa) fyysikko, joka on myös fyysikkopalkintokomitean puheenjohtaja, David Haviland.
”Penrose ja Hawking osoittivat, että tietyn tyyppisille tähdille mustat aukot ovat melko väistämätön seuraus tähtien luhistumisesta”, sanoo Sabine Hossenfelder, teoreettinen fyysikko Frankfurt Institute for Advanced Studies -instituutissa Saksassa. ”Ennen tätä uraauurtavaa työtä useimmat fyysikot ajattelivat, että mustat aukot ovat vain matemaattisia kuriositeetteja, jotka esiintyvät yleisessä suhteellisuusteoriassa mutta joita ei ole olemassa todellisuudessa. Sen sijaan kävi ilmi, että mustia aukkoja on vaikea välttää tähtien luhistumisessa ja että maailmankaikkeuden pitäisi olla täynnä niitä….. Mustien aukkojen löytämisen tarina osoittaa elävästi, miten voimakas puhdas matematiikka voi olla luonnon ymmärtämisessä.”
Penrosen työ mustien aukkojen parissa ei jäänyt todistamaan niiden mahdollisuutta yleisen suhteellisuusteorian mukaan, huomauttaa Harvardin yliopiston astrofyysikko Avi Loeb, joka on Harvardin yliopiston Black Hole Initiativen johtaja. Penrose osoitti myös, miten energiaa saadaan irti pyörivistä mustista aukoista – niin sanottu Penrose-prosessi, jolla voi olla tärkeä rooli kvasaarien, ultrakevyiden kohteiden, jotka liittyvät kaukana sijaitsevien muinaisten galaksien ytimissä oleviin ahneisiin mustiin aukkoihin, voimanlähteenä. Ja Penrosen ”kosmisen sensuurin hypoteesi”, Loeb sanoo, ”pelastaa kykymme ennustaa tulevaisuutta koko maailmankaikkeudessa mustiin aukkoihin liittyvien singulariteettien aiheuttamalta patologialta, jossa Einsteinin teoria hajoaa….. Aivan kuten Las Vegasissa, ’kaikki, mitä tapahtuu tapahtumahorisontin sisällä, pysyy tapahtumahorisontin sisällä’.”
Hetkellä, jolloin Penrose, Hawking ja muut teoreetikot koodasivat mustien aukkojen fysikaalisia perusteita, havaintotähtitieteilijät etsivät ja tutkivat näitä eksoottisia kohteita yhä yksityiskohtaisemmin.
1990-luvulla alkoi syntyä läpimurtolöytö. Genzel – Saksan Garchingissa sijaitsevan Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics -instituutin infrapunatähtitieteen johtaja – ja Ghez – Kalifornian yliopiston professori Los Angelesissa – johtivat kumpikin itsenäistä tutkimusryhmää, joka käytti tehokkaita infrapunateleskooppeja, joita oli täydennetty adaptiivisella optiikalla, kurkistamaan Linnunradan pölyn peittämään sydämeen. Molemmat ryhmät havaitsivat tähtiä, jotka parveilivat salaperäisen keskeisen pimeän lähteen ympärillä, näkymättömän kohteen, joka tähtien liikkeiden perusteella täytyi sisältää neljän miljoonan auringon massan. ”Ei ole muuta selitystä kuin supermassiivinen musta aukko”, Danielsson sanoi.
Myöhemmät havainnot, pääasiassa Hubble-avaruusteleskoopin avulla, ovat paljastaneet, että tällaisia mittakaavaltaan suuria mustia aukkoja lymyilee lähes kaikkien havaittavissa olevan maailmankaikkeuden suurten galaksien keskuksissa. Tämä havainto viittaa siihen, että nämä kohteet, jotka eivät suinkaan ole pelkkää astrofyysistä salatiedettä, ovat kenties maailmankaikkeuden tärkeimpiä rakennusaineita suurten kosmisten rakenteiden rakentamisessa.
”Tiede on niin tärkeää, ja fysikaalisen maailmamme todellisuuden esittäminen on ratkaisevan tärkeää meille ihmisille”, Ghez sanoi toimittajille antamassaan haastattelussa saatuaan tietää palkinnostaan. ”Meillä ei ole aavistustakaan siitä, mitä mustien aukkojen sisällä on….. Ne todella edustavat fysiikan lakeja koskevan ymmärryksemme romahtamista. Se on osa kiehtovuutta – emme vieläkään tiedä.”
Genzelin ja Ghezin tutkimusryhmät tekevät edelleen uusia löytöjä Linnunradan keskeisestä supermassiivisesta mustasta aukosta, joka on nimeltään Sagittarius A*, kuten ylikuumentuneen kaasun solmuja, jotka leimahtavat loistavasti liekkeihin kierrellessään kohti unohdusta. Uudet laitteet, kuten Laser Interferometer Gravitaatioaalto-observatorio (LIGO) ja Virgo-interferometri, tutkivat mustien aukkojen sulautuvia pareja havaitsemalla niiden lähettämiä gravitaatioaalloiksi kutsuttuja aaltoja avaruusaikaan. Käynnissä olevat radiohavainnot Sagittarius A*:stä sekä maapallon laajuisella Event Horizon Telescope (EHT) -teleskoopilla tehdyt tutkimukset toisesta supermassiivisesta kohteesta läheisessä galaksissa M87 tuottavat mullistavia lähikuvia näistä kosmisista hirviöistä.
”Kaikki nämä läpimurtotekniikat tuovat meidät lähemmäksi tuntemattoman rajoja kuin koskaan aiemmin, ja ne tarjoavat uusia tapoja tutkia kosmoksen salaperäisimpiä kohteita ja testata perustavanlaatuisimpia teorioitamme”, sanoo Sheperd Doeleman, EHT:n perustajajohtaja. ”Viime vuosien tulokset ovat antaneet meille mahdollisuuden esittää kysymyksiä, joita emme olisi voineet muotoilla aiemmin. Mutta mikä tärkeämpää, ne antavat meille mahdollisuuden unelmoida suurista asioista. Työ, jota tänään juhlitaan Nobel-palkinnoilla, on mullistavaa, ja mustien aukkojen tulevaisuus on, kuten sanotaan, valoisa!”
”Tämä ei ole vain vanha seikkailu, joka on saamassa voitokkaan päätöksensä”, Danielsson sanoi. ”Se on uuden alkua. Kun luotaamme yhä lähemmäs mustien aukkojen horisonttia, luonnolla saattaa olla luvassa uusia yllätyksiä.”