Nobelova nagrada za fiziko 2020

Letošnjo Nobelovo nagrado za fiziko bodo podelili za raziskave na področju vesolja, so sporočili iz Kraljeve švedske akademije znanosti. Za odkritje, da je nastajanje črnih lukenj robustna napoved splošne teorije relativnosti, prejme polovico nagrade britanski matematik in fizik Roger Penrose. Drugo polovico pa za odkritje, da je v središču naše galaksije Rimske ceste supermasiven objekt, najverjetneje črna luknja, prejmeta nemški astrofizik Reinhard Genzel in ameriška astronominja Andrea Ghez. Nagrade bodo prejeli na svečani slovesnosti decembra.

Čim masivnejši je objekt, višja je ubežna hitrost. Ker je hitrost svetlobe končna, dasiravno zelo visoka, so se že v 18. stoletju nekateri raziskovalci vpraševali, ali bi lahko obstajali temni objekti, ki bi imeli ubežno hitrost višjo od svetlobe. John Michell je že leta 1783 izračunal, da bi imela zvezda z enako gostoto kot Sonce, a 500-krat večjim premerom, ubežno hitrost višjo od hitrosti svetlobe. Pierre-Simon Laplace je leta 1799 računal analogno: če bi imeli predmet z gostoto Zemlje, bi pri 250-kratnem premeru Sonca dobili neubežen privlak. Malo sta vedela, da govorita o objektih, ki danes nimajo le uveljavljenega imena - črna luknja - temveč, ki obstajajo in smo jih celo fotografirali. Michell je celo izrecno zapisal, da bi tak objekt lahko zaznali zaradi njegove gravitacijskega vpliva na okoliška telesa, videli pa ga seveda ne bi. Michell in Laplace sta uporabljala klasično mehaniko, ker drugega tedaj še ni bilo.

Splošno relativnost je namreč Einstein dokončno formuliral šele leta 1915. Leto pozneje je nemški astronom Karl Schwarzschild iz nje izračunal, kako se prostor-čas ukrivi okrog sferično simetričnih, nerotirajočih mas. Z rezultatom so večkrat potrdili teorijo relativnosti, saj je na primer pravilno napovedala gibanje Merkurja, ki ga klasična mehanika ni znala. Merkur je namreč tako blizu Sonca, da je gravitacijsko polje dovolj močno, da so odstopanja od klasične fizike enostavno merljiva. Schwarzschildova rešitev je imela singularnost v središču in tudi pri vrednosti 2GM/c², kar so tedaj pripisali izbiri koordinat, saj tam prave singularnosti ni. Že Robert Oppenheimer je leta 1939 pravilno ugotovil, da je Schwarzschildov radij točka, za katero ni možno komunicirati z oddaljenim opazovalcem. Vse, kar čutimo izza te točke, je gravitacijski vpliv. Danes vemo, da je Schwarzschildov radij v resnici točka brez povratka, tako imenovani dogodkovni horizont. Kdor ga prestopi, mora pustiti zunaj vse upe. A v 40. in 50. letih ideja o singularnosti ni bila univerzalno sprejeta, niti Einstein ni bil prepričan, da obstaja takšna stvar, kot je dogodkovni horizont.

Šele po Einsteinovi smrti je Roger Penrose pokazal, da črne luknje ne le obstajajo, temveč so povsem v skladu z Einsteinovo teorijo relativnosti. Penrose ni predpostavil sferične simetrije, temveč je predpostavil le, da ima materija pozitivno energijsko gostoto. Izumiti je moral nove matematične metode in uporabiti prijeme topologije. Leta 1965 je uvedel pojem ujete površine: to je dvorazsežna ploskev, s katere se vsi pravokotni žarki svetlobe v prihodnosti združijo v isti točki. Z običajnih sferičnih površin žarki divergirajo, ne pa konvergirajo. Pokazal je, da v primeru sferične simetrije, površina pod Schwarzschildovim radijem tvori tako površino. To je najboljši približek strukture črne luknje. V njej sta čas in prostor spremenila pomen - vse poti v prihodnosti vodijo v črno luknjo, iz nje potovati pa bi bilo kakor potovati nazaj v času. Ko prestopimo dogodkovni horizont, je naša edina prihodnost v črni luknji. Še bolj bizarno je: vsa materija v črni luknji je sesedena v singularnosti, v eni točki, kjer niti čas ne teče. To drži za vse črne luknje, tudi za rotirajoče in brez predpostavk o simetriji. Penrose je pokazal, da na ujeti površini ni možno preprečiti kolapsa proti singularnosti. Črne luknje so torej možne tudi v realnem svetu, kjer ni popolnih sferičnih in simetričnih objektov.

Penrose je prvi, ki je dosegel znaten preboj na področju teorije relativnosti po Einsteinu. Kasneje je s Stephenom Hawkingom pokazal, da lahko analogno obravnavamo tudi druge singularnosti. Zelo verjetno je na začetku časa, torej ob velikem poku, obstajala singularnost. Piko na i je postavil Robert Dicke, ki je leta 1960 na predavanjih na Princetonu prvi uporabil termin črna luknja. Danes je to del splošnega besedišča.

Črne luknje pa je bilo treba še najti in eno so odkrili v naši najbližji soseščini. Danes se predvideva, da ima večina galaksij v centru kakšno črno luknjo. Reinhard Genzel in Andrea Ghez sta vodila svoji raziskovalni skupini, ki sta preiskovali Rimsko cesto. Naša galaksija ni za vesoljske razmere nič posebnega: splošen disk s premerom 100.000 svetlobnih lest ima nekaj milijard zvezd s planeti, v enem zakotnem vogalu pa se je na enem planetu razvilo življenje. Kamorkoli pogledamo s tega planeta s prostim očesom, bomo videli Rimsko cesto, ki pokriva večino vidnega neba. Zato je v resnici zelo težko gledati proti središču, ker je vmes toliko zvezd. Harlow Shapley je že pred sto leti pokazal, da je središče v smeri ozvezdja Strelca. Šele infrardeči in radijski teleskopi so to omogočili. Čeprav so znanstveniki desetletja sumili, da v središču leži črna luknja, ki spet ni nič posebnega, nihče tega ni znal pokazati. Že v 60. letih je postalo jasno, da v središču leži objekt Strelec A*, okrog katerega krožijo vse zvezde Rimske ceste, in od koder izvirajo močni radijski valovi. Šele v 90. letih sta Genzel in Ghez vsak posebej pokazala, da je tam res črna luknja, ki tehta okoli 4 milijone Sončevih mas. In kmalu jo bomo tudi videli, saj je po lanskem uspehu naslednja na vrsti, da jo teleskop Event Horizon posname.