Naučni krug

Crne rupe: tragom geometrije nevidljivog

Nobelov komitet odlučio je prošle godine da jednu polovinu nagrade dobije Rodžer Penrouz (1934), engleski teorijski fizičar, za nemerljiv teorijski doprinos u predviđanju postojanja crnih rupa. Drugu polovinu nagrade podelili su astronomi-posmatrači: Andrea Gez (1965) i Rajhnard Gencel (1952), jer su otkrili da u centru naše galaksije, Mlečnog puta, definitivno postoji supermasivna crna rupa čiju su masu uspeli precizno da izmere

Tekst: Darko Donevski

Ilustracija: Srđa Dragović

Za svemir astronomi govore da je najdragocenija laboratorija koja nam omogućava da razumemo i one objekte i pojave koje ne vidimo sopstvenim očima. Jedan od takvih objekata je i crna rupa, egzotičan primer veličanstvene smrti najmasivnijih zvezda u kosmosu. U modernim udžbenicima iz astronomije zapisano je da kada zvezdani izvor džinovske mase skončava svoj život, dešava se da se ta nagomilana materija pod uticajem gravitacije urušava toliko snažno da nijedna sila u suprotnom smeru ne može da zaustavi tu imploziju. Materija se urušava u neku zamišljenu tačku beskonačne gustine koju nazivamo singularitet, a od nekadašnje zvezde ostaje samo zapis o nekoliko fizičkih parametara kao što su masa, ugaoni momenat i ukupno naelektrisanje.

U isto vreme jednostavan i višestruko apstraktan, pojam crnih rupa i mogućnost njihovog postojanja privlačio je decenijama ne samo naučnike, već i umetnike i mnoge druge zaljubljenike u astronomiju. Sam Rodžer Penrouz je jednom opisao svoj davnašnji susret sa velikim umetnikom Ešerom, koji je, inspirisan Penrouzovim skicama u naučnim radovima, kao i nepreglednim mogućnostima plesa prostora i vremena u dubini misteriozne crne rupe, načinio neka od svojih najupečatljivijih litografskih dela. Interesantno je i da se često pogrešno tumači da u crnoj rupi nema svetlosti. Ima je, i to veoma mnogo, ali su svi ti fotoni koji prenose zračenje uhvaćeni, zarobljeni, i jednom kad priđu dovoljno blizu crnoj rupi, ona ih hvata svojom velikom gravitacijom i nepovratno uvlači ka svom centru. Za crnu rupu astronomi često definišu i jednu oblast koja se pomalo poetski naziva horizont događaja – udaljenost na kojoj nestaje ikakva mogućnost da direktno vidimo fragmente te zarobljene svetlosti. Strogo formalno posmatrano, činilo se da se time završava i bilo kakva mogućnost da saznamo bilo šta o postojanju ovih objekata. Srećom, astronomi su se potrudili da promene diskurs, pokažu da je moguće uroniti u geometriju nevidljivog i time potvrde ono što je italijanski pisac Italo Kalvino jednom napisao: „Nijedan taman kutak u kosmosu ne može da prođe neosvetljen ljudskom imaginacijom!“

Ono što karakteriše većinu egzotičnih fenomena u svemiru jeste da je potrebno mnogo vremena i pažljivo isplaniranih istraživanja da bi se prešao put od njihovog teorijskog predviđanja do konačne posmatračke potvrde. Supermasivne crne rupe u galaksijama nisu izuzetak, naprotiv. Priča o postojanju crnih rupa zapodenuta je pre više od 100 godina, u vreme kada je Ajnštajn objavio svoju opštu teoriju relativnosti, poznatu i kao opšta teorija gravitacije. Ajnštajn je matematičkim formulama predstavio na koji način bi gravitacija i masa u svemiru trebalo da budu povezane. Jedan drugi naučnik po imenu Karl Švarcšild je, rešavajući Ajnštajnove jednačine, 1916. godine zaključio da one dozvoljavaju postojanje objekata beskonačne gustine. U pitanju je upravo singularitet crnih rupa, pomenut u uvodu ovog teksta.

Dugo se mislilo da je nemoguće postojanje tako tamnih mesta u kosmosu sa gusto zapakovanom materijom, te su ona proizvod određenih manjkavosti u Ajnštajnovim jednačinama. Veliki engleski astronom, Artur Edington, u svojoj knjizi iz 1926. godine bio je blizu da i eksplicitno pomene postojanje crnih rupa napisavši da bi bilo „nemoguće da velika vidljiva zvezda poput Betelgejza ima ogromnu gustinu, jer bi to značilo da svetlost (usled ogromne gravitacione sile), ne bi mogla da dođe do nas“. Problem postojanja crnih rupa je dugo teorijski smatran problematičnim, jer su teoretičari uglavnom davali rešenja jednačina koja važe u nekom idealnom slučaju, ali ne i u stvarnom svemiru u kojem se objekti i te kako razlikuju po obliku, veličini, starosti, masi… Kako priroda i svemir nisu idealni, već „samo“ idealno nesavršeni, trebalo je čekati na rešenja Ajnštajnovih jednačina koja važe u opštem slučaju. To je pošlo za rukom Rodžeru Penrouzu. On je 1965. godine shvatio da je nastanak crnih rupa trigerovan gravitacionim kolapsom velike materije na mali, konačni prostor i da je ta mogućnost direktna posledica Ajnštajnovih jednačina gravitacije. Penrouz je dodatno pokazao da bi u samom srcu crne rupe trebalo da se nalazi singularitet, to hipotetičko mesto beskonačne gustine u kom zakoni poznate fizike prestaju da važe. U prirodi, proces koji dovodi do takvih egzotičnih fenomena dešava se kada masivna zvezda (recimo ona koja ima masu veću od 10 Sunčevih masa) ostane bez svog nuklearnog goriva. Teorija je predvidela i da crne rupe nisu sve jednako masivne, te da i među njima ima značajnih razlika. Najmasivnije od svih su nazvane supermasivne crne rupe, jer sadrže masu koja može da iznosi nekoliko miliona masa našeg Sunca! Tako je Penrouzov rezultat momentalno otvorio mogućnost da nas do bliskog susreta sa crnim rupama deli samo jedan detalj – trebalo je naći način da se locira njihovo prisustvo i izmeri masa.

 

U potrazi za supermasivnim crnim rupama u svemiru

Bila je 1963. godina kada su astronomi prvim velikim radio-antenama detektovali jedan od izuzetno blještavih radio-objekata na nebu. Pošto je na prvim optičkim snimcima delovao nalik zamućenom, tačkastom objektu, nazvan je kvazar (eng. quasy-stelar object), pogrešno smatrajući da je reč o zvezdi. Interesantno je da je autor tog prvog rada o kvazarima Marten Šmit pravilno pretpostavio da u pitanju nije bliska zvezda u našem Mlečnom putu, već neki mnogo dalji objekat u drugoj galaksiji, udaljenoj dve milijarde svetlosnih godina! Ipak, naučna zajednica je tada bila veoma skeptična, odbacivši originalni Šmitov zaključak, pitajući se (logično): „Ako je taj objekat tako dalek, zašto je onda toliko sjajan, zar svetlost ne bi trebalo da biva uočena sve slabija što je objekat dalji? Šta je to što podstiče njegovu blještavost?“ Kasnije će se ispostaviti da su kvazari zapravo izuzetno masivni centri aktivnih jezgara dalekih galaksija i da odaju imprint postojanja supermasivne crne rupe koja generiše njihovu grandioznu sjajnost. Ipak, te 1963. godine nauka nije znala za ovu evolucionu povezanost, pa je trebalo čekati još nekoliko godina da astronomi zaključe kako takvi sjajni i dugački mlazevi zračenja zapravo isijavaju čestice koje se kreću skoro svetlosnim brzinama. Sredinom sedamdesetih godina 20. veka načinjeni su novi prodori u razumevanju kvazara, pa je njihova enormna energija pravilno povezana sa postojanjem centralnog, kompaktnog i masivnog izvora – objekta koji ima sve karakteristike supermasivne crne rupe!

Crne rupe je teško locirati jer su izuzetno malih veličina. Interesantno, pre nego što je supermasivna crna rupa otkrivevna u centru naše galaksije, njeno prisustvo potvrđeno je još sredinom sedamdesetih u drugoj galaksiji. Astronomi Volf i Barbidž su analizirali koliko brzine zvezda odstupaju od neke prosečne vrednosti u centru džinovske eliptične galaksije M87 koja se nalazi 50 miliona svetlosnih godina daleko od nas. Zaključili su da haotično i brzo kretanje zvezda može biti objašnjeno jedino ukoliko se u centru galaksije nalazi supermasivna crna rupa mase od oko milijardu sunaca.

Iako su tokom decenija slični rezultati stizali i za neke druge galaksije, još se nisu istraživale mogućnosti da i u našoj galaksiji leži taj monstruozni objekat. Razlog za takvo razmišljanje činio se, iznova, vrlo logičnim. (Eto još jednog primera kako, naizgled sasvim logični i naučno zasnovani zaključci, ne moraju nužno da budu i krajnje istine!) Naime, u svemiru postoje različite vrste galaksija, i većina njih ima relativno malu masu i malu stopu zvezda koje se formiraju u toku jedne godine. Zbog toga je dominiralo mišljenje da, i ako centre galaksija uopšte i „naseljavaju“ supermasivne crne rupe, one bi trebalo da budu ekskluzivno pravo jedino najmasivnijih i najaktivnijih galaksija, kao što su eliptična galaksija M87 ili daleki kvazari. Suprotno njima, naš Mlečni put spada u vrlo mirnu galaksiju koja ulazi u završnu fazu svog evolutivog puta. Zbog toga se ideja o postojanju džinovske crne rupe u centru Mlečnog puta dugo smatrala naučno neutemeljenom. Razvoj astronomije na radio-talasima učinio je da ona ponovo bude revidirana kada su radio-antenama Grin Benk, u Zapadnoj Virdžiniji, astronomi uočili izuzetno snažno radio-zračenje iz centra Mlečnog puta. Taj izvor je nazvan Sagittarius A* zbog toga što je lociran u sazvežđu Strelac (Sagittarius).

 

Da li i Mlečni put ima svoju supermasivnu crnu rupu?

Početkom devedesetih godina prošlog veka na scenu stupaju ovogodišnji Nobelovi laureati, Rajnhard Gencel i Andrea Gez. I Gencel i Gez su imali istu ideju: pronaći mlade zvezde dovoljno blizu pretpostavljene pozicije crne rupe i pratiti njihovo višegodišnje kretanje. Drugim rečima, ideja je bila da se dobiju podaci o masi centralnog objekta (crne rupe), na osnovu praćenja drugih objekata koji rotiraju oko nje (mladih zvezda). Oba tima morala su da prevaziđu instrumentalne nedostatke tog vremena i razviju rafinirane tehnike posmatranja, koje bi bile dovoljno precizne da detektuju kretanje pojedinačnih zvezda u blizini centra regiona Sagittarius A*. U to vreme, Gencel je već bio poznat astronom sa stalnom naučnom pozicijom na Institutu „Maks Plank“, dok je Gez bila tek mlada doktorka nauka na početku svoje naučne karijere. Ovaj podatak je važan jer u veoma kompetitivnim astronomskim istraživanjima mladi naučnici obično nemaju privilegiju da dobiju zagarantovano vreme za posmatranje na nekim od velikih teleskopa, što njihove napore čini mnogo većim, a istraživanje neizvesnijim. Tim Andree Gez je uspeo da dobije pravo korišćenja džinovskih teleskopa Keck na Havajima, dok je Gencelov tim koristio VLT teleskop u Čileu. Oba tima posebnu pažnju su posvetila jednoj zvezdi, nazvanoj S2. Zbog svog specifičnog orbitalnog perioda, ova zvezda je bila idealna meta da se, kroz izračunavanje njenog perioda rotacije izračuna masa objekta oko kojeg S2 obilazi. Andrea Gez i on su koristli različite tehnike posmatranja u bliskom infracrvenom delu elektromagnetnog spektra, koje su pokazale koliko je važno razumeti emisiju zračenja mladih zvezda i njenu apsorpciju na česticama prašine da bi se potvrdilo postojanje crne rupe u centru Mlečnog puta.

Bio je oktobar 2002. godine kada je međunarodni tim istraživača predvođen Gencelom objavio analizu dugogodišnjneg kretanja zvezde S2 pokazavši da je u centru naše galaksije najverovatnije crna rupa. Kasnija istraživanja oba tima su potvrdila ovaj rezultat. Primenivši nov metod računanja mase tog centralnog objekta, pokazano je da objekat u centru naše galaksije ima masu od 4,1 milion Sunčevih masa, a da se neposredno oko nje nalazi gusto jato aktivnih zvezda, fenomen koji intrigira astrofizičare već duže vreme. Gencel je imao veći tim stručnjaka na raspolaganju, takođe imali su i zagarantovano vreme na još nekim velikim teleskopima na Zemlji, tako da su nešto pre suparničkog tima Andree Gez razvili tehnike izračunavanja mase centralne supermasivne crne rupe, i samim tim ranije objavili svoje rezultate. Zanimljivo je napomenuti da je među koautorima rada Gehz et al. 2008, koji je odredio karakteristike crne rupe u centru naše galaksije praćenjem orbita zvezda, i naš astrofizičar, Samir Salim, koji više od 20 godina živi i radi u SAD. Nakon velikog uspeha u merenju mase crne rupe, Gencel je sa svojim timom otišao i korak dalje – dobio je finansijsku i tehničku podršku za projekat GRAVITY, sistem od četiri optička teleskopa koji zajedno formiraju jedno virtuelno ogledalo od 130 m u prečniku. Cilj projekta GRAVITY je da se prisustvo crne rupe potvrdi i detekcijom kruženja ogromnog oblaka prašine i gasa kojima se supermasivne crne rupe „hrane“. Upravo je rad objavljen 2018. godine pokazao da oko centra Sagittarius A* više gasnih „oblačića“ rotira ogromnim brzinama, u prilog postojanju crne rupe.

Iza zavese slavom ovenčanih istraživanja, dešavala se druga borba. Iako se često potencira kako takmičenje u nauci podstiče ubrzani razvoj kvaliteta, višedecenijsko nadmetanje i pritisak koji ono nameće doveli su do velikih netrpeljivosti između Gez i Gencel, kao i članova oba tima. Andrea Gez je na jednoj velikoj konferenciji čak optužila Gencelov tim da je lažirao rezultate, dok je Gencel u docnijim intervjuima isticao kako je Gezova, iako zaslužna za istraživanja crne rupe u centru naše galaksije, „nezasluženo dobila priznanja koja bi svakako trebalo da budu pripisana samo njegovom timu jer su oni prvi došli do rezultata“. Koliko je kompetitivnost između ova dva tima prešla granice fer-pleja, potvrdilo je i nedavno odbijanje Rajnharda Gencela da održi kratak online seminar zajedno sa Andreom Gez. Ovakav tok dešavanja nije iznenadio astronomsku naučnu javnost, ali jeste doveo do snažnih reakcija brojnih naučnika koji su izrazili nezadovoljstvo načinom na koji se nagrada dodeljuje u vremenu u kom dominiraju velike kolaboracije, i u kojem izrazito favorizovanje jednog naučnog lidera poprilično relativizuje veliki doprinos ostalih koautora. Takođe je istaknuto da dobitnici nagrade ne bi smeli da koriste medije i svoju poziciju kako bi diskreditovali rad drugih istraživača.

Ovogodišnji dobitnici Nobelove nagrade ostaće aktivni u oblastima koje su okupirale njihovu pažnju tokom prethodnih desetak godina. Rodžer Penrouz je emeritus profesor na Oksfordu i odavno se ne bavi mejnstrim naukom. Poslednjih decenija posvećen je filozofskim raspravama na temu nesavršenosti zakona kojim čovek opisuje prirodu, a takođe se bavi i filozofskim debatama na temu ljudske podsvesti. Andrea Gez je tek četvrta žena od više od 200 dobitnika Nobelove nagrade za fiziku. Ona je čitavu istraživačku karijeru posvetila astrofizičkim fenomenima u vezi sa orbitom zvezda i njihovom evolucijom, sa ciljem da bolje razume istoriju objekata u centrima galaksija poput naše. Ona je vođa i grupe istraživača na UKLA, koja planira da iskoristi budući teleskop „Džejms Veb“ kako bi pronikla u mnoge, dosad neviđene, detalje zvezdanih sistema u drugim galaksijama. Sa druge strane, Gencel je jednako plodan autor i u istraživanju veoma dalekih galaksija i jedan od utemeljivača nove oblasti koja se naziva – moderna milimetarska astrononija. Osim što istražuje šta se dešava u srcu Mlečnog puta, Gencel je veliki doprinos nauci dao i u otkrivanju gasa u udaljenim galaksijama koristeći interferometre. Upravo je jedan od njegovih radova pokazao da i u dalekom svemiru može da se pronađe galaksija koja po svojim fizičkim osobinama liči na naš Mlečni put.

Istraživanja crnih rupa i njihove veze sa procesom stvaranja zvezda u galaksijama su jedna od centralnih tema moderne astronomije. Upravo je korišćenje interferometara, specijalno dizajniranog sistema više radio-antena, ključno za budućnost ovih istraživanja. Prošle godine javnost je oduševljeno gledala u prvi snimak senke supermasivne crne rupe i njene okoline detektovane u galaksiji M87. Koliko god bila masivna, ovu crnu rupu nije mogao da snimi čak ni najveći teleskop koji postoji na Zemlji, već je to urađeno kombinacijom radio i milimetarskih teleskopa koji su nazvani Event Horizon Telescope projekat. Za razliku od supermasivne crne rupe u M87, „naša“ galaktična crna rupa je relativno tiha i skrivena, i bez sumnje, naredna meta projekta Event Horizon Telescope. Pripremite se!

 

___________

Darko Donevski je stipendista italijanske vlade u oblasti kosmologije, u okviru projekta „Prašina u ranom svemiru“. Doktorirao je 2018. na Univerzitetu Aix-Marseille, u Francuskoj, sa temom „Evolucija dalekih galaksija“. Kao stipendista, boravio je na institutima u Lajdenu (Holandija) i Tuluzu (Francuska). Osnovne studije završio je na Univerzitetu u Novom Sadu. Stalni je saradnik časopisa Elementi.

___________

Tekst je izvorno objavljen u 23. broju časopisa Elementi.

 

Istražite druge tekstove:


Grb Republike Srbije
ecsite nsta eusea astc

CPN
Ulica kralja Petra 46
11000 Beograd
Republika Srbija
+381 11 24 00 260
centar@cpn.rs