Az idei fizikai Nobel-díjat három tudós kapta a fekete lyukakkal kapcsolatos munkájáért. Roger Penrose brit kozmológus kapja a díj felét, a másik felén Reinhard Genzel német asztrofizikus és Andrea Ghez amerikai asztrofizikus osztozik. Ghez mindössze a negyedik nő a történelemben, aki megkapta a tiszteletreméltó fizikadíjat.
“Az idei díj az univerzum legsötétebb titkairól szól” – mondta Göran K. Hansson, a Svéd Királyi Tudományos Akadémia főtitkára egy sajtóeseményen. Az akadémia Penrose-t “annak felfedezéséért ismerte el, hogy a fekete lyukak kialakulása az általános relativitáselmélet szilárd előrejelzése” – tette hozzá Hansson, míg Ghez és Genzel “a galaxisunk középpontjában lévő szupermasszív kompakt objektum felfedezéséért” kapta a díjat.”
A fekete lyukak olyan térbeli régiók, amelyekben a gravitációs erő olyan erős, hogy még a fény sem tud elszabadulni. Egy ilyen létrehozásához – mondta Ulf Danielsson, a fizikai Nobel-bizottság egyik fizikusa az eseményen – “a Napot kellene összenyomni egy mindössze néhány kilométer átmérőjű régióba – vagy a Földet borsónyi méretűre összenyomni”. Minden fekete lyuk szívében egy “szingularitás” lenne, egy olyan pont, ahol a gravitáció végtelen sűrűségűre préseli az anyagot, amelyet egy “eseményhorizont” takar, amelyen túl bármi, ami beleesik, nem tud visszatérni a tágabb, külső világegyetembe. Bár a tudósok évszázadok óta spekuláltak a létezésükről, nem volt világos, hogy ilyen szélsőséges objektumok a valóságban is létezhetnek-e. Még Albert Einstein is – akinek általános relativitáselmélete a fekete lyukak megértésének modern alapját képezi – kételkedett a létezésükben.
De 1965-ben Penrose, a Stephen Hawkinggal együtt dolgozó fizikus, aki ma az Oxfordi Egyetem professor emeritusa, matematikailag “megmutatta, hogy a fekete lyukak valóban létezhetnek, és egy stabil és robusztus folyamat során alakulhatnak ki”, amely összhangban van Einstein elméleteivel, mondta David Haviland, a svédországi KTH Királyi Technológiai Intézet fizikusa és a fizikai díjért felelős bizottság elnöke a riportereknek.
“Penrose és Hawking bebizonyította, hogy egy bizonyos típusú csillagok esetében a fekete lyukak a csillagok összeomlásának szinte elkerülhetetlen következményei” – mondta Sabine Hossenfelder, a németországi Frankfurt Institute for Advanced Studies elméleti fizikusa. “Ezt az úttörő munkát megelőzően a legtöbb fizikus úgy gondolta, hogy a fekete lyukak csupán matematikai érdekességek, amelyek megjelennek az általános relativitáselméletben, de a valóságban nem léteznek. Ehelyett kiderült, hogy a fekete lyukakat nehéz elkerülni a csillagok összeomlásakor, és hogy az univerzumnak tele kell lennie velük….. A fekete lyukak felfedezésének története szemléletesen mutatja, hogy a tiszta matematika milyen erőteljes lehet a természet megértésének kutatásában.”
Penrose fekete lyukakkal kapcsolatos munkája nem állt meg annak bizonyításánál, hogy az általános relativitáselmélet alapján lehetségesek, jegyzi meg Avi Loeb, a Harvard Egyetem asztrofizikusa és a Fekete Lyukak Kezdeményezés igazgatója. Penrose azt is megmutatta, hogyan lehet a forgó fekete lyukakból energiát kivonni – az úgynevezett Penrose-folyamatot, amely fontos szerepet játszhat a kvazárok, a távoli ősi galaxisok magjában lévő falánk fekete lyukakhoz köthető ultrafényes objektumok működtetésében. És Penrose “kozmikus cenzúra hipotézise” – mondja Loeb – “megmenti a jövő előrejelzésének képességét az egész univerzumban a fekete lyukakhoz kapcsolódó szingularitások patológiájától, ahol Einstein elmélete összeomlik….. Akárcsak Las Vegasban, “ami az eseményhorizonton belül történik, az az eseményhorizonton belül is marad”.”
Míg Penrose, Hawking és más teoretikusok a fekete lyukak fizikai alapjait kodifikálták, a megfigyelő csillagászok egyre nagyobb részletességgel keresték és tanulmányozták ezeket az egzotikus objektumokat.
Az 1990-es években áttörő felfedezés kezdődött. Genzel – a németországi Garchingban található Max Planck Földönkívüli Fizikai Intézet infravörös csillagászatért felelős igazgatója – és Ghez – a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetem professzora – egy-egy független kutatócsoportot irányítottak, amelyek nagy teljesítményű, adaptív optikával kiegészített infravörös teleszkópokkal tekintettek be a Tejútrendszer porral borított szívébe. Ott mindkét csapat szemtanúja volt annak, hogy csillagok nyüzsögnek egy titokzatos központi sötét forrás körül, egy láthatatlan objektum körül, amely a csillagok mozgása alapján négymillió nap tömegének felel meg. “Nincs más magyarázat, mint egy szupermasszív fekete lyuk” – mondta Danielsson.
A későbbi megfigyelések, főként a Hubble űrteleszkóppal, kimutatták, hogy a megfigyelhető világegyetem legtöbb nagy galaxisának középpontjában ilyen nagytömegű fekete lyukak rejtőznek. Ez a megfigyelés arra utal, hogy ezek az objektumok, amelyek messze nem pusztán asztrofizikai arkangyalok, talán a világegyetem legfontosabb építőkövei a nagyméretű kozmikus struktúráknak.
“A tudomány annyira fontos, és fizikai világunk valóságának bemutatása döntő fontosságú számunkra, emberek számára” – mondta Ghez egy újságíróknak adott interjúban, miután értesült a díjról. “Fogalmunk sincs, mi van a fekete lyukak belsejében….. Valójában a fizika törvényeivel kapcsolatos ismereteink összeomlását jelentik. Ez is része az intrikának – még mindig nem tudjuk.”
Genzel és Ghez kutatócsoportjai továbbra is új felfedezéseket tesznek a Tejútrendszer központi szupermasszív fekete lyukáról, a Sagittarius A*-ról, mint például a túlhevült gázcsomók, amelyek fényesre lángolnak, miközben a feledésbe spiráloznak. Új berendezések, köztük a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) és a Virgo interferométer, a fekete lyukak összeolvadó párjait tanulmányozzák a téridőben kibocsátott, gravitációs hullámoknak nevezett hullámok észlelésével. A Sagittarius A* folyamatban lévő rádiómegfigyelései, valamint a közeli M87 galaxisban található másik szupermasszív objektumról a földgolyónyi kiterjedésű Event Horizon Telescope (EHT) által végzett ilyen jellegű vizsgálatok pedig forradalmi közeli képeket készítenek ezekről a kozmikus szörnyekről.
“Mindezek az áttörést jelentő technikák minden eddiginél közelebb visznek minket az ismeretlen határához, újszerű módszereket kínálva a kozmosz legrejtélyesebb objektumainak tanulmányozására és a legalapvetőbb elméleteink tesztelésére” – mondja Sheperd Doeleman, az EHT alapító igazgatója. “Az elmúlt évek eredményei lehetővé tették számunkra, hogy olyan kérdéseket tegyünk fel, amelyeket korábban soha nem tudtunk volna megfogalmazni. De ami ennél is fontosabb, lehetővé teszik számunkra, hogy nagyot álmodjunk. A ma Nobel-díjjal ünnepelt munka átalakító erejű, és a fekete lyukak jövője, ahogy mondani szokták, fényes!”
“Ez nem csak egy régi kaland, amely diadalmas véget ér” – mondta Danielsson. “Ez egy új kaland kezdete. Ahogy egyre közelebb szondázunk a fekete lyukak horizontjához, a természet új meglepetéseket tartogathat.”