De Nobelprijs voor de Natuurkunde is dit jaar toegekend aan drie wetenschappers voor hun werk op het gebied van zwarte gaten. De Britse kosmoloog Roger Penrose krijgt de helft van de prijs, en de andere helft wordt verdeeld tussen de Duitse astrofysicus Reinhard Genzel en de Amerikaanse astrofysica Andrea Ghez. Ghez is pas de vierde vrouw in de geschiedenis die de eerbiedwaardige natuurkundeprijs ontvangt.
“De prijs van dit jaar gaat over de donkerste geheimen van het heelal,” zei Göran K. Hansson, secretaris-generaal van de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen, op een persevenement. De academie erkende Penrose voor zijn “ontdekking dat de vorming van zwarte gaten een robuuste voorspelling is van de algemene relativiteitstheorie,” voegde Hansson eraan toe, terwijl Ghez en Genzel werden onderscheiden “voor de ontdekking van een superzwaar compact object in het centrum van ons melkwegstelsel.”
Zwarte gaten zijn regio’s in de ruimte waar de zwaartekracht zo sterk is dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen. Om er een te creëren, zei Ulf Danielsson, een natuurkundige die lid is van het Nobelcomité voor Natuurkunde, op het evenement, “moet je de zon samendrukken tot een gebied met een doorsnede van slechts enkele kilometers of de aarde samendrukken tot de grootte van een erwt.” In het hart van elk zwart gat zou zich een “singulariteit” bevinden, een punt waar de zwaartekracht materie tot oneindige dichtheid samendrukt, omgeven door een “waarnemingshorizon” waarachter alles wat erin valt niet kan terugkeren naar het wijdere buitenuniversum. Hoewel wetenschappers al eeuwen over hun bestaan speculeerden, was het onduidelijk of zulke extreme objecten in werkelijkheid konden voorkomen. Zelfs Albert Einstein – wiens algemene relativiteitstheorie de moderne basis vormt voor het begrip van zwarte gaten – twijfelde aan hun bestaan.
Maar in 1965 toonde Penrose, een natuurkundige die samenwerkte met Stephen Hawking en nu emeritus hoogleraar is aan de Universiteit van Oxford, wiskundig “aan dat zwarte gaten echt zouden kunnen bestaan, zich vormend in een stabiel en robuust proces” in overeenstemming met Einsteins theorieën, vertelde David Haviland, een natuurkundige aan het KTH Koninklijk Instituut voor Technologie in Zweden en voorzitter van het comité voor de natuurkundeprijs, aan verslaggevers.
“Penrose en Hawking bewezen dat, voor sterren van een bepaald type, zwarte gaten een vrijwel onvermijdelijke uitkomst zijn van stellaire ineenstorting,” zegt Sabine Hossenfelder, een theoretisch natuurkundige aan het Frankfurt Institute for Advanced Studies in Duitsland. “Vóór dit baanbrekende werk dachten de meeste natuurkundigen dat zwarte gaten slechts wiskundige curiositeiten waren die in de algemene relativiteit voorkomen, maar dat ze in werkelijkheid niet zouden bestaan. In plaats daarvan bleek dat zwarte gaten moeilijk te vermijden zijn bij stellaire ineenstortingen en dat het heelal er vol mee moet zitten…. Het verhaal van de ontdekking van zwarte gaten toont levendig aan hoe krachtig zuivere wiskunde kan zijn in de zoektocht om de natuur te begrijpen.”
Penrose’s werk met zwarte gaten stopte niet bij het bewijzen van hun mogelijkheid onder algemene relativiteit, merkt Avi Loeb op, een astrofysicus aan de Harvard Universiteit en directeur van haar Black Hole Initiative. Penrose toonde ook aan hoe energie kan worden onttrokken aan ronddraaiende zwarte gaten – het zogenaamde Penrose-proces, dat een belangrijke rol kan spelen bij het aandrijven van quasars, de ultralichte objecten die in verband worden gebracht met vraatzuchtige zwarte gaten in de kernen van verre oude melkwegstelsels. En Penrose’s “kosmische censuurhypothese”, zegt Loeb, “behoedt ons vermogen om de toekomst van het heelal te voorspellen voor de pathologie van de singulariteiten die bij zwarte gaten horen, waar Einstein’s theorie in duigen valt…. Net als in Las Vegas geldt: wat er binnen de waarnemingshorizon gebeurt, blijft binnen de waarnemingshorizon.”
Terwijl Penrose, Hawking en andere theoretici de natuurkundige grondslagen van zwarte gaten aan het codificeren waren, zochten en bestudeerden sterrenkundigen deze exotische objecten steeds gedetailleerder.
In de jaren negentig werd een doorbraak ontdekt. Genzel-directeur van infrarood astronomie aan het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica in Garching, Duitsland-en Ghez-een professor aan de Universiteit van Californië, Los Angeles-hebben elk een onafhankelijk onderzoeksteam geleid met behulp van krachtige infrarood telescopen aangevuld met adaptieve optiek om in het met stof bedekte hart van de Melkweg te turen. Daar zagen beide teams sterren zwermen rond een mysterieuze centrale donkere bron, een onzichtbaar object dat volgens de bewegingen van de sterren de massa van vier miljoen zonnen moet bevatten. “Er is geen andere verklaring dan een superzwaar zwart gat,” zei Danielsson. Latere waarnemingen, voornamelijk van de Hubble-ruimtetelescoop, hebben onthuld dat zulke zwarte gaten in de centra van bijna elk groot sterrenstelsel in het waarneembare heelal op de loer liggen. Deze waarneming wijst erop dat deze objecten, verre van louter astrofysische arcana te zijn, misschien wel de meest cruciale bouwstenen van het universum zijn voor grootschalige kosmische structuren.
“Wetenschap is zo belangrijk, en het presenteren van de realiteit van onze fysieke wereld is van cruciaal belang voor ons als mensen,” zei Ghez in een interview met verslaggevers nadat ze van haar prijs had gehoord. “We hebben geen idee wat er in zwarte gaten zit…. Ze vertegenwoordigen echt de ineenstorting van ons begrip van de wetten van de fysica. Dat is een deel van de intrige – we weten het nog steeds niet.”
Genzel’s en Ghez’s teams blijven nieuwe ontdekkingen doen over het centrale superzware zwarte gat van de Melkweg, Sagittarius A* genaamd, zoals knopen van oververhit gas die schitteren als ze de vergetelheid in spiraliseren. Nieuwe faciliteiten, waaronder het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en de Virgo interferometer, bestuderen samensmeltende paren van zwarte gaten door hun uitstoot van rimpelingen in de ruimtetijd, gravitatiegolven genaamd, te detecteren. En de lopende radio-observaties van Sagittarius A*, evenals dergelijke onderzoeken van een ander supermassief object in het nabije melkwegstelsel M87 door de over de hele wereld verspreide Event Horizon Telescope (EHT), leveren revolutionaire close-up beelden op van deze kosmische monsters.
“Al deze baanbrekende technieken brengen ons dichter dan we ooit bij de rand van het onbekende zijn gekomen, en bieden nieuwe manieren om de meest mysterieuze objecten in de kosmos te bestuderen en onze meest fundamentele theorieën te testen,” zegt Sheperd Doeleman, stichtend directeur van de EHT. “De resultaten van de afgelopen jaren hebben ons in staat gesteld vragen te stellen die we nooit eerder hadden kunnen formuleren. Maar wat nog belangrijker is, ze stellen ons in staat om groot te dromen. Het werk dat vandaag met de Nobelprijzen wordt bekroond is transformatief, en de toekomst van zwarte gaten is, zoals ze zeggen, rooskleurig!”
“Dit is niet zomaar een oud avontuur dat tot zijn triomfantelijke einde komt,” zei Danielsson. “Het is een nieuw avontuur dat begint. Nu we steeds dichter bij de horizon van zwarte gaten komen, heeft de natuur misschien nieuwe verrassingen in petto.”