Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki została przyznana trzem naukowcom za ich pracę nad czarnymi dziurami. Brytyjski kosmolog Roger Penrose otrzyma połowę nagrody, a pozostałą połowę podzielą między siebie niemiecki astrofizyk Reinhard Genzel i amerykańska astrofizyczka Andrea Ghez. Ghez jest tylko czwartą kobietą w historii, która otrzymała czcigodną nagrodę fizyki.
„Tegoroczna nagroda dotyczy najciemniejszych tajemnic wszechświata”, powiedział Göran K. Hansson, sekretarz generalny Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk, na imprezie prasowej. Akademia uznała Penrose’a za jego „odkrycie, że tworzenie się czarnych dziur jest solidnym przewidywaniem ogólnej teorii względności”, dodał Hansson, podczas gdy Ghez i Genzel zostali nagrodzeni „za odkrycie supermasywnego zwartego obiektu w centrum naszej galaktyki.”
Czarne dziury to regiony przestrzeni, w których siła grawitacji jest tak silna, że nawet światło nie może uciec. Aby stworzyć jedną, powiedział Ulf Danielsson, fizyk w Komitecie Noblowskim w dziedzinie fizyki, na imprezie, „trzeba by skompresować Słońce do regionu tylko kilka kilometrów w poprzek – lub wycisnąć Ziemię w dół do wielkości grochu.” W sercu każdej czarnej dziury znajdowałaby się „osobliwość”, punkt, w którym grawitacja ściska materię do nieskończonej gęstości, osłonięty „horyzontem zdarzeń”, poza którym wszystko, co wpadnie do środka, nie będzie mogło powrócić do szerszego wszechświata. Chociaż naukowcy spekulowali o ich istnieniu od wieków, nie było jasne, czy tak ekstremalne obiekty mogą występować w rzeczywistości. Nawet Albert Einstein, którego ogólna teoria względności stanowi współczesną podstawę do zrozumienia czarnych dziur, wątpił w ich istnienie.
Ale w 1965 roku Penrose, fizyk, który pracował ze Stephenem Hawkingiem i jest obecnie emerytowanym profesorem na Uniwersytecie w Oksfordzie, matematycznie „pokazał, że czarne dziury mogą naprawdę istnieć, tworząc się w stabilnym i solidnym procesie” zgodnym z teoriami Einsteina, David Haviland, fizyk w KTH Royal Institute of Technology w Szwecji i przewodniczący komitetu przyznającego nagrodę w dziedzinie fizyki, powiedział dziennikarzom.
„Penrose i Hawking udowodnili, że dla gwiazd pewnego typu, czarne dziury są całkiem nieuniknionym wynikiem gwiezdnego kolapsu,” mówi Sabine Hossenfelder, fizyk teoretyczny z Frankfurt Institute for Advanced Studies w Niemczech. „Przed tą przełomową pracą większość fizyków uważała, że czarne dziury są jedynie matematycznymi ciekawostkami, które pojawiają się w ogólnej teorii względności, ale nie istnieją w rzeczywistości. Zamiast tego okazało się, że czarne dziury są trudne do uniknięcia w gwiezdnych kolapsach i że wszechświat powinien być ich pełen…. Historia odkrycia czarnych dziur pokazuje dobitnie, jak potężna może być czysta matematyka w dążeniu do zrozumienia natury.”
Praca Penrose’a nad czarnymi dziurami nie skończyła się na udowodnieniu ich możliwości w ramach ogólnej teorii względności, zauważa Avi Loeb, astrofizyk z Uniwersytetu Harvarda i dyrektor jego Black Hole Initiative. Penrose pokazał również, jak pozyskiwać energię z wirujących czarnych dziur – tak zwany proces Penrose’a, który może odgrywać ważną rolę w zasilaniu kwazarów, ultrajasnych obiektów powiązanych z żarłocznymi czarnymi dziurami w rdzeniach odległych, starożytnych galaktyk. Hipoteza Penrose’a o „kosmicznej cenzurze”, mówi Loeb, „ratuje naszą zdolność do przewidywania przyszłości w całym wszechświecie przed patologią osobliwości związanych z czarnymi dziurami, gdzie teoria Einsteina się załamuje”. Podobnie jak w Las Vegas, 'cokolwiek dzieje się wewnątrz horyzontu zdarzeń, pozostaje wewnątrz horyzontu zdarzeń'”
Podczas gdy Penrose, Hawking i inni teoretycy kodyfikowali fizyczne podstawy czarnych dziur, astronomowie obserwacyjni poszukiwali i badali te egzotyczne obiekty z coraz większą dokładnością.
Przełomowe odkrycie zaczęło się pojawiać w latach 90-tych. Genzel – dyrektor astronomii podczerwonej w Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics w Garching w Niemczech – i Ghez – profesor na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles – każdy z nich kierował niezależnym zespołem badawczym, używającym potężnych teleskopów podczerwonych, wyposażonych w optykę adaptacyjną, aby zajrzeć do spowitego pyłem serca Drogi Mlecznej. Tam oba zespoły zaobserwowały gwiazdy kłębiące się wokół tajemniczego centralnego ciemnego źródła, niewidocznego obiektu, którego ruchy gwiazd sugerowały, że musi zawierać masę czterech milionów słońc. „Nie ma innego wyjaśnienia niż supermasywna czarna dziura” – powiedział Danielsson.
Późniejsze obserwacje, głównie z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, ujawniły, że takie czarne dziury czają się w centrach większości dużych galaktyk w obserwowalnym wszechświecie. Obserwacje te sugerują, że obiekty te, dalekie od bycia zwykłymi arkanami astrofizyki, są być może najbardziej kluczowymi elementami budulcowymi dla wielkoskalowych struktur kosmicznych.
„Nauka jest tak ważna, a przedstawianie rzeczywistości naszego świata fizycznego jest krytyczne dla nas jako istot ludzkich” – powiedziała Ghez w rozmowie z dziennikarzami po dowiedzeniu się o swojej nagrodzie. „Nie mamy pojęcia, co znajduje się wewnątrz czarnych dziur…. Tak naprawdę reprezentują one załamanie naszego rozumienia praw fizyki. To część intrygi – wciąż nie wiemy.”
Zespoły Genzela i Gheza kontynuują dokonywanie nowych odkryć na temat centralnej supermasywnej czarnej dziury Drogi Mlecznej, zwanej Sagittarius A*, takich jak węzły rozgrzanego gazu, które rozbłyskują blaskiem, gdy spiralnie zmierzają ku zapomnieniu. Nowe urządzenia, w tym Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO) oraz interferometr Virgo, badają łączące się pary czarnych dziur poprzez wykrywanie emitowanych przez nie fal w czasoprzestrzeni zwanych falami grawitacyjnymi. Trwające obecnie obserwacje radiowe Sagittariusa A*, jak również badania innego supermasywnego obiektu w pobliskiej galaktyce M87, prowadzone przez obejmujący cały glob Event Horizon Telescope (EHT), generują rewolucyjne obrazy tych kosmicznych potworów z bliska.
„Wszystkie te przełomowe techniki przybliżają nas bardziej niż kiedykolwiek do krawędzi nieznanego, oferując nowe sposoby badania najbardziej tajemniczych obiektów w kosmosie i testowania naszych najbardziej fundamentalnych teorii,” mówi Sheperd Doeleman, dyrektor założyciel EHT. „Wyniki z ostatnich kilku lat pozwoliły nam zadać pytania, których nigdy wcześniej nie mogliśmy sformułować. Ale co ważniejsze, pozwalają nam snuć wielkie marzenia. Praca uhonorowana dziś Nagrodą Nobla ma charakter transformacyjny, a przyszłość czarnych dziur, jak to się mówi, jest świetlana!”
„To nie jest tylko stara przygoda dobiegająca triumfalnego końca” – powiedział Danielsson. „To jest początek nowej. Gdy będziemy podążać coraz bliżej horyzontów czarnych dziur, natura może mieć w zanadrzu nowe niespodzianki.”
.