Črne luknje med pravljičnostjo in znanostjo

Nagrada, ki so jo v astronomiji pričakovali že kar nekaj časa, zajema odkritja, ki so se zgodila v obdobju kar nekaj desetletij. In sicer vse od leta 1965, ko je Roger Penrose, profesor na znameniti britanski Univerzi Oxford, s posebnimi matematičnimi izračuni pokazal, da so črne luknje neposredna posledica splošne teorije relativnosti, pa do raziskav, ki sta jih v devetdesetih letih prejšnjega stoletja vsak s svojo raziskovalno skupino zasnovala in izpeljala nemški znanstvenik Reinhard Genzel in ameriška astronomka Andrea Ghez. Njihovo delo je vodilo v odkritje supermasivne črne luknje tako rekoč na našem pragu, v središču naše galaksije.

Pravljica postane resničnost

Nekaj, kar bolj sodi v svet pravljic, je po zaslugi raziskovalnega dela letošnjih Nobelovih nagrajencev za fiziko postalo del naše realnosti. Nevidne pošasti, ki požrejo vse, kar se jim približa, je teoretično predvidel že Einstein s svojo splošno teorijo relativnosti, a v njihov resnični obstoj menda ni verjel.

Toda že deset let po njegovi smrti, januarja 1965, je letošnji prvi Nobelov nagrajenec za fiziko Roger Penrose, takrat komaj 34-letni fizik na Univerzi Oxford, dokazal, da se črne luknje, v katerih odpovedo vsi znani zakoni narave, res oblikujejo, in je tudi opisal, kako to poteka. Ta njegov prispevek pred 55 leti po prepričanju Nobelovega odbora velja za najpomembnejši prispevek k splošni teoriji relativnosti po letu 1916, ko jo je Albert Einstein objavil.

Te neverjetne nevidne pošasti pa sta v  našo realnost še konkretneje in še bolj neoporečno umestila direktor Max Planckovega instituta za zunajzemeljsko fiziko v Garchingu v Nemčiji dr. Reinhard Genzel, ki je sicer tudi profesor na Kalifornijski univerzi v Berkeleyu v ZDA, in ameriška znanstvenica Andrea Ghez s Kalifornijske univerze v Los Angelesu. Od začetka 90. let prejšnjega stoletja sta vsak s svojo skupino astronomov raziskovala središče galaksije Strelec A*. Zanimalo ju je, zakaj se tam zvezde kot v brnečem roju čebel gibljejo z osupljivo hitrostjo.

Preslikali so orbite najsvetlejših zvezd, ki so najbližje središču. Obe skupini sta po zaslugi razvoja metod, s katerimi so lahko videli skozi  goste oblake medzvezdnega prahu in plinov, ugotovili, da tam obstaja nekaj nevidnega in težkega, zaradi česar se je ta mešanica zvezd vrtela kot v roju čebel. Na območju, ki ni večje od našega sončnega sistema, je po njihovih ugotovitvah stisnjenih približno štiri milijone sončnih mas. Kaj je tisto, zaradi česar zvezde v osrčju Rimske ceste nihajo s tako osupljivo hitrostjo? Po sedanji teoriji gravitacije obstaja samo en kandidat – supermasivna črna luknja.

Kako preseči Einsteina? 

Albert Einstein, oče splošne relativnosti in prvi, ki je postavil teoretične osnove za morebiten obstoj črnih lukenj, ki potegnejo vase vse, kar se jim približa, in v svojem osrčju skrivajo singularnost, mejo, za katero se porušijo vsi znani zakoni narave,  ni pomislil, da lahko črne luknje dejansko obstajajo. Toda deset let po njegovi smrti je britanski teoretik Roger Penrose dokazal, da črne luknje lahko nastanejo, in opisal njihove lastnosti. Da bi dokazal, da je nastajanje črne luknje stabilen proces, je moral razširiti metode, ki se uporabljajo za preučevanje teorije relativnosti – reševanje teorijskih problemov z novimi matematičnimi koncepti. 

Penroseov revolucionarni članek je bil objavljen januarja 1965 in še vedno velja za najpomembnejši prispevek k splošni teoriji relativnosti po Einsteinu. Kaj ta pomeni za udejanjanje nečesa, za kar se je zdelo, da obstaja le v pravljicah? Razlago povzemamo po poljudnem gradivu Nobelovega odbora.

Vesolje v objemu gravitacije

Črne luknje so morda najbolj nenavadna posledica splošne teorije relativnosti. Ko je Albert Einstein novembra 1915 predstavil svojo teorijo, je ta spremenila vse dotedanje koncepte prostora in časa in oblikovala povsem novo podlago za razumevanje gravitacije, sile, ki v največjem obsegu oblikuje vesolje. Uveljavila se je kot podlaga za vse študije vesolja in ima tudi praktično uporabo v enem najpogostejših navigacijskih orodij GPS.

Po Einsteinu je gravitacija alfa in omega vesolja. Gravitacija nas zadržuje na Zemlji, ureja orbite planetov okoli Sonca in Sončevo orbito okoli središča Rimske ceste. Zaradi gravitacije pride do rojstva zvezde iz medzvezdnih oblakov in sčasoma do njene smrti v gravitacijskem kolapsu. Gravitacija prinaša obliko vesolju in vpliva na pretek časa. Težka masa upogne prostor in upočasni čas; izredno težka masa lahko celo odreže in zapre kos prostora – ustvari črno luknjo.

Prvi teoretični opis tega, čemur danes pravimo črna luknja, smo dobili le nekaj tednov po objavi splošne teorije relativnosti. Kljub izjemno zapletenim matematičnim enačbam teorije je nemški astrofizik Karl Schwarzschild Einsteinu ponudil rešitev, ki je opisala, kako težke mase lahko upogibajo prostor in čas.

Poznejše študije so pokazale, da je črna luknja, ko se enkrat oblikuje, obdana z obzorjem dogodkov, ki se v sredini kot tančica razporedi okoli mase. Črna luknja tako ostaja za vedno skrita v svojem obzorju dogodkov. Večja ko je masa, večja je črna luknja in njeno obzorje. Za maso, ki je enaka Soncu, ima obzorje dogodkov premer skoraj tri kilometre, pri masi, kakršna je masa Zemlje, pa le devet milimetrov.

Rešitev, ki presega popolnost

Koncept »črne luknje« je našel nov pomen v številnih oblikah kulturnega izražanja, toda za fizike so črne luknje naravna končna točka razvoja velikanskih zvezd. Prvi izračun dramatičnega propada masivne zvezde je konec tridesetih let opravil fizik Robert Oppenheimer; pozneje je vodil projekt Manhattan, ki je privedel do prve atomske bombe. Ko velikanskim zvezdam, veliko težjim od Sonca, zmanjka goriva, najprej eksplodirajo kot supernove, nato pa se sesujejo v izredno gosto zapakirane ostanke. Ti so tako težki, da gravitacija potegne vase vse, tudi svetlobo.

Ideja o »temnih zvezdah« se ni razvila šele z Einsteinom ali po njem, ampak jo je  že konec 18. stoletja obravnaval britanski filozof in matematik John Michell, pojavila pa se je tudi v delih priznanega francoskega znanstvenika Pierra Simona de Laplacea. Oba sta razmišljala, da bi lahko nebeška telesa postala tako gosta, da bi bila nevidna – niti svetlobna hitrost ne bi bila dovolj hitra, da bi ušla njihovi gravitaciji.

Nekaj več kot stoletje pozneje, ko je Albert Einstein objavil svojo splošno teorijo relativnosti, so nekatere rešitve njenih zapletenih enačb opisovale prav takšne temne zvezde. Vse do šestdesetih let so te rešitve veljale za zgolj  teoretična ugibanja, ki opisujejo idealne situacije, v katerih so bile zvezde in njihove črne luknje popolnoma okrogle in simetrične. Toda nič v vesolju ni popolno in Roger Penrose je bil prvi, ki je uspešno našel realistično rešitev za vse propadajoče snovi s svojimi drobci, jamicami in naravnimi nepopolnostmi.

Ujete površine so rešile uganko

Rogerja Penrosea je izzivalo vprašanje, ali lahko v realnih razmerah nastanejo črne luknje. Odgovor se mu je, kot se je kasneje spominjal, ponudil jeseni 1964 med sprehodom s kolegom v Londonu, kjer je bil Penrose profesor matematike na kolidžu Birkbeck. Ko sta se za trenutek nehala pogovarjati, da sta prečkala stransko ulico, ga je preblisnila ideja o ujetih površinah. Pozneje se je izkazalo, da je bila ključ, ki ga je nezavedno iskal, ključno matematično orodje, potrebno za opis črne luknje.

Ujeta površina prisili vse žarke, da se usmerijo proti sredini, ne glede na to, ali se površina zavije navzven ali navznoter. S pomočjo ujetih površin je Penrose lahko dokazal, da črna luknja vedno skriva singularnost, mejo, kjer se čas in prostor končata. Njena gostota je neskončna in še ni teorije, kako pristopiti k temu najbolj nenavadnemu pojavu v fiziki. Ujete površine so postale osrednji koncept pri zaključku Penroseovega dokaza o izreku singularnosti. Topološke metode, ki jih je uvedel, so zdaj neprecenljive pri preučevanju našega ukrivljenega vesolja.

Enosmerna ulica do konca časa

Fiziki pojasnjujejo, da ko se snov začne rušiti in nastane ujeta površina, ne more nič preprečiti nadaljevanja njenega kolapsa. Poti nazaj ni, kot je ni v zgodbi, ki jo je rad pripovedoval indijski fizik in nobelovec Subramanjan Čandrašekar. Zgodba govori o kačjih pastirjih in njihovih ličinkah, ki živijo pod vodo. Ko je ličinka pripravljena razpreti krila, obljubi, da bo drugim ličinkam povedala, kakšno je življenje na drugi strani vodne gladine. Ko pa ličinka enkrat preide skozi površino in odleti kot kačji pastir, vrnitve ni. Ličinke v vodi ne bodo nikoli slišale zgodbe o življenju na drugi strani.

Podobno lahko snov prečka obzorje dogodkov črne luknje samo v eno smer. Nato čas nadomesti prostor in vse možne poti vodijo navznoter, čas pa vse vodi proti neizogibnemu koncu na singularnosti. Če padete skozi obzorje dogodkov supermasivne črne luknje, ne boste čutili ničesar. Od zunaj vas ne bo nihče videl, kako padate po večni poti proti obzorju. Po zakonih fizike ni mogoče pogledati v črno luknjo; črne luknje skrivajo vse svoje skrivnosti za svojimi obzorji dogodkov.

Kako videti nevidno

Čeprav črne luknje ne vidimo, pa  je mogoče ugotoviti njene lastnosti z opazovanjem, kako njena ogromna gravitacija usmerja gibanje okoliških zvezd. Letošnja nobelovca Reinhard Genzel in Andrea Ghez vodita ločeni raziskovalni skupini, ki raziskujeta središče naše galaksije, Rimske ceste. Oblikovana kot ravna plošča s premerom približno 100.000 svetlobnih let, je sestavljena iz plina in prahu ter nekaj sto milijard zvezd. Ena od teh zvezd je naše Sonce. Opazovalcem na Zemlji ogromni oblaki medzvezdnega plina in prahu zakrivajo večino vidne svetlobe, ki prihaja iz središča galaksije. Infrardeči teleskopi in radijska tehnologija so astronomom prvi omogočili, da so videli skozi disk galaksije in posneli zvezde v središču.

Že več kot 50 let so fiziki domnevali, da je v središču Rimske ceste morda črna luknja. Ko pa so v začetku šestdesetih let odkrili kvazarje, so menili, da bi v večini velikih galaksij, vključno z Rimsko cesto, lahko našli supermasivne črne luknje. Še vedno pa nihče ne more razložiti, kako so nastale galaksije in njihove črne luknje med nekaj milijoni in mnogimi milijardami sončnih mas.

Pred sto leti je ameriški astronom Harlow Shapley prvi identificiral središče Rimske ceste v smeri ozvezdja Strelca. Kasneje so astronomi tam našli močan vir radijskih valov, ki je dobil ime Strelec A*. Proti koncu šestdesetih let prejšnjega stoletja je postalo jasno, da Strelec A* zaseda središče Rimske ceste, okoli katerega krožijo vse zvezde v galaksiji. A šele v devetdesetih letih so večji teleskopi in boljša oprema omogočili bolj sistematične raziskave Strelca A*. 

Reinhard Genzel in Andrea Ghez sta takrat začela iskati možnosti, kako bi skozi oblake prahu lahko videli srce Rimske ceste. Skupaj s svojimi raziskovalnimi skupinami sta razvila in izpopolnila tehnike in instrumente, ki so jim odprli pogled skozi zvezdni prah do središča Rimske ceste. Reinhard Genzel je s svojo skupino  gledal v vesolje skozi NTT, teleskop z novo tehnologijo na gori La Silla v Čilu, kasneje pa so raziskave prenesli na Veliki teleskop VLT na gori Paranal (tudi v Čilu). S štirimi velikanskimi teleskopi, dvakrat večjimi od NTT, ima VLT največja monolitna ogledala na svetu s premerom več kot 8 metrov.

Andrea Ghez pa je s svojo raziskovalno skupino uporabljala observatorij Keck na gori Mauna Kea na Havajih. Ogledala  teleskopa v tem observatoriju imajo premer skoraj 10 metrov in so trenutno med največjimi na svetu. Vsako ogledalo je kot satje, sestavljeno iz 36 šesterokotnih segmentov, ki jih je mogoče nadzorovati ločeno, da lahko astronomi bolje osredotočijo svetlobo zvezd.

Zvezde kažejo pot

Ne glede na to, kako veliki so teleskopi, podrobnosti, ki jih lahko razrešijo, vedno obstajajo, saj živimo na dnu skoraj 100 kilometrov globokega atmosferskega morja. Veliki mehurčki zraka nad teleskopom, ki so vroči ali hladnejši od njihove okolice, delujejo kot leče in lomijo svetlobo na poti do ogledala teleskopa ter izkrivljajo svetlobne valove. Zato zvezde utripajo in tudi njihove slike so zamegljene. Pojav prilagodljive optike je bil ključnega pomena za izboljšanje opazovanj. Teleskopi so zdaj opremljeni s tankim dodatnim ogledalom, ki kompenzira zračno turbulenco in popravi popačeno sliko. 

Po skoraj tridesetletnem sledenju zvezdam v središču naše galaksije Reinhard Genzel in Andrea Ghez s sodelavci še naprej razvijata in izpopolnjujeta tehnologijo z občutljivejšimi digitalnimi senzorji svetlobe in boljšo prilagodljivo optiko.  Ločljivost slike se je tako v tem času izboljšala več kot tisočkrat. Zdaj lahko astronomi z večjo natančnostjo določijo lege zvezd in jim sledijo iz noči v noč.

Kmalu neposreden pogled na Strelca A*

Astronomi zdaj že napovedujejo, da bomo kmalu lahko neposredno pogledali Strelca A*. Pred dobrim letom dni je astronomski mreži Event Horizon Telescope uspelo posneti najbližjo okolico supermasivne črne luknje, čemur so takrat številni napovedovali Nobelovo nagrado. Najdlje v galaksiji Messier 87 (M87), oddaljeni 55 milijonov svetlobnih let od nas, je jedro bolj črno od črnega očesa, obdano z ognjenim obročem. Črno jedro M87 je velikansko, več kot tisočkrat težje od Strelca A*. Trkajoče črne luknje, ki so povzročile nedavno odkrite gravitacijske valove, so bile precej lažje. Tako kot črne luknje so tudi gravitacijski valovi obstajali le kot izračuni iz Einsteinove splošne teorije relativnosti, preden jih je detektor LIGO v ZDA prvič zajel jeseni 2015. To je bilo pred petimi leti že nagrajeno z Nobelovo nagrado za fiziko. 

Nastaja nova teorija kvantne gravitacije

Roger Penrose je pokazal, da so črne luknje neposredna posledica splošne teorije relativnosti, vendar v neskončno močni gravitaciji singularnosti ta teorija, kot vse druge teorije, preneha veljati. Na področju teoretične fizike zato  že intenzivno raziskujejo ustvarjanje nove teorije kvantne gravitacije, ki naj bi združevala dva stebra fizike, teorijo relativnosti in kvantno mehaniko, ki se srečata v notranjosti črnih lukenj.

Medtem se tudi astronomska opazovanja vse bolj približujejo črnim luknjam. Pionirsko delo Reinharda Genzla in Andree Ghez je privedlo do novih generacij natančnih preizkusov splošne teorije relativnosti in njenih najbolj bizarnih napovedi. Najverjetneje bodo te meritve lahko tudi namigi za nova teoretična spoznanja. Vesolje ima še veliko skrivnosti in presenečenj, ki jih je treba odkriti. 

Ali, kot je ob razglasitvi letošnjih Nobelovih nagrajencev za fiziko izpostavil David Haviland, predsednik Nobelovega odbora za fiziko, so odkritja letošnjih lavreatov postavila temelje za nove študije kompaktnih supermasivnih objektov v vesolju. A ta eksotična telesa z vsakim novim razkritjem o sebi zastavljajo še bistveno več vprašanj. Ne le vprašanja o njihovi notranji strukturi, ampak tudi vprašanja, kako testirati naše teorije o gravitaciji v tako ekstremnih razmerah v neposredni bližini črne luknje. Pred fiziki je torej še dolga pot, da bodo kaj več odkrili o teh nevidnih pošastih, ki posrkajo vse, kar se znajde v njihovi bližini, in se iz njih nič ne vrne, niti svetloba ne.

Članek je bil objavljen v reviji Gea (januar 2021)

Več o reviji Gea >