За свемир астрономи говоре да је најдрагоценија лабораторија која нам омогућава да разумемо и оне објекте и појаве које не видимо сопственим очима. Један од таквих објеката је и црна рупа, егзотичан пример величанствене смрти најмасивнијих звезда у космосу. У модерним уџбеницима из астрономије записано је да када звездани извор џиновске масе скончава свој живот, дешава се да се та нагомилана материја под утицајем гравитације урушава толико снажно да ниједна сила у супротном смеру не може да заустави ту имплозију. Материја се урушава у неку замишљену тачку бесконачне густине коју називамо сингуларитет, а од некадашње звезде остаје само запис о неколико физичких параметара као што су маса, угаони моменат и укупно наелектрисање.
У исто време једноставан и вишеструко апстрактан, појам црних рупа и могућност њиховог постојања привлачио је деценијама не само научнике, већ и уметнике и многе друге заљубљенике у астрономију. Сам Роџер Пенроуз је једном описао свој давнашњи сусрет са великим уметником Ешером, који је, инспирисан Пенроузовим скицама у научним радовима, као и непрегледним могућностима плеса простора и времена у дубини мистериозне црне рупе, начинио нека од својих најупечатљивијих литографских дела. Интересантно је и да се често погрешно тумачи да у црној рупи нема светлости. Има је, и то веома много, али су сви ти фотони који преносе зрачење ухваћени, заробљени, и једном кад приђу довољно близу црној рупи, она их хвата својом великом гравитацијом и неповратно увлачи ка свом центру. За црну рупу астрономи често дефинишу и једну област која се помало поетски назива хоризонт догађаја – удаљеност на којој нестаје икаква могућност да директно видимо фрагменте те заробљене светлости. Строго формално посматрано, чинило се да се тиме завршава и било каква могућност да сазнамо било шта о постојању ових објеката. Срећом, астрономи су се потрудили да промене дискурс, покажу да је могуће уронити у геометрију невидљивог и тиме потврде оно што је италијански писац Итало Калвино једном написао: „Ниједан таман кутак у космосу не може да прође неосветљен људском имагинацијом!“
Оно што карактерише већину егзотичних феномена у свемиру јесте да је потребно много времена и пажљиво испланираних истраживања да би се прешао пут од њиховог теоријског предвиђања до коначне посматрачке потврде. Супермасивне црне рупе у галаксијама нису изузетак, напротив. Прича о постојању црних рупа заподенута је пре више од 100 година, у време када је Ајнштајн објавио своју општу теорију релативности, познату и као општа теорија гравитације. Ајнштајн је математичким формулама представио на који начин би гравитација и маса у свемиру требало да буду повезане. Један други научник по имену Карл Шварцшилд је, решавајући Ајнштајнове једначине, 1916. године закључио да оне дозвољавају постојање објеката бесконачне густине. У питању је управо сингуларитет црних рупа, поменут у уводу овог текста.
Дуго се мислило да је немогуће постојање тако тамних места у космосу са густо запакованом материјом, те су она производ одређених мањкавости у Ајнштајновим једначинама. Велики енглески астроном, Артур Едингтон, у својој књизи из 1926. године био је близу да и експлицитно помене постојање црних рупа написавши да би било „немогуће да велика видљива звезда попут Бетелгејза има огромну густину, јер би то значило да светлост (услед огромне гравитационе силе), не би могла да дође до нас“. Проблем постојања црних рупа је дуго теоријски сматран проблематичним, јер су теоретичари углавном давали решења једначина која важе у неком идеалном случају, али не и у стварном свемиру у којем се објекти и те како разликују по облику, величини, старости, маси… Како природа и свемир нису идеални, већ „само“ идеално несавршени, требало је чекати на решења Ајнштајнових једначина која важе у општем случају. То је пошло за руком Роџеру Пенроузу. Он је 1965. године схватио да је настанак црних рупа тригерован гравитационим колапсом велике материје на мали, коначни простор и да је та могућност директна последица Ајнштајнових једначина гравитације. Пенроуз је додатно показао да би у самом срцу црне рупе требало да се налази сингуларитет, то хипотетичко место бесконачне густине у ком закони познате физике престају да важе. У природи, процес који доводи до таквих егзотичних феномена дешава се када масивна звезда (рецимо она која има масу већу од 10 Сунчевих маса) остане без свог нуклеарног горива. Теорија је предвидела и да црне рупе нису све једнако масивне, те да и међу њима има значајних разлика. Најмасивније од свих су назване супермасивне црне рупе, јер садрже масу која може да износи неколико милиона маса нашег Сунца! Тако је Пенроузов резултат моментално отворио могућност да нас до блиског сусрета са црним рупама дели само један детаљ – требало је наћи начин да се лоцира њихово присуство и измери маса.
У потрази за супермасивним црним рупама у свемиру
Била је 1963. година када су астрономи првим великим радио-антенама детектовали један од изузетно бљештавих радио-објеката на небу. Пошто је на првим оптичким снимцима деловао налик замућеном, тачкастом објекту, назван је квазар (енг. quasy-stelar object), погрешно сматрајући да је реч о звезди. Интересантно је да је аутор тог првог рада о квазарима Мартен Шмит правилно претпоставио да у питању није блиска звезда у нашем Млечном путу, већ неки много даљи објекат у другој галаксији, удаљеној две милијарде светлосних година! Ипак, научна заједница је тада била веома скептична, одбацивши оригинални Шмитов закључак, питајући се (логично): „Ако је тај објекат тако далек, зашто је онда толико сјајан, зар светлост не би требало да бива уочена све слабија што је објекат даљи? Шта је то што подстиче његову бљештавост?“ Касније ће се испоставити да су квазари заправо изузетно масивни центри активних језгара далеких галаксија и да одају импринт постојања супермасивне црне рупе која генерише њихову грандиозну сјајност. Ипак, те 1963. године наука није знала за ову еволуциону повезаност, па је требало чекати још неколико година да астрономи закључе како такви сјајни и дугачки млазеви зрачења заправо исијавају честице које се крећу скоро светлосним брзинама. Средином седамдесетих година 20. века начињени су нови продори у разумевању квазара, па је њихова енормна енергија правилно повезана са постојањем централног, компактног и масивног извора – објекта који има све карактеристике супермасивне црне рупе!
Црне рупе је тешко лоцирати јер су изузетно малих величина. Интересантно, пре него што је супермасивна црна рупа откривевна у центру наше галаксије, њено присуство потврђено је још средином седамдесетих у другој галаксији. Астрономи Волф и Барбиџ су анализирали колико брзине звезда одступају од неке просечне вредности у центру џиновске елиптичне галаксије М87 која се налази 50 милиона светлосних година далеко од нас. Закључили су да хаотично и брзо кретање звезда може бити објашњено једино уколико се у центру галаксије налази супермасивна црна рупа масе од око милијарду сунаца.
Иако су током деценија слични резултати стизали и за неке друге галаксије, још се нису истраживале могућности да и у нашој галаксији лежи тај монструозни објекат. Разлог за такво размишљање чинио се, изнова, врло логичним. (Ето још једног примера како, наизглед сасвим логични и научно засновани закључци, не морају нужно да буду и крајње истине!) Наиме, у свемиру постоје различите врсте галаксија, и већина њих има релативно малу масу и малу стопу звезда које се формирају у току једне године. Због тога је доминирало мишљење да, и ако центре галаксија уопште и „насељавају“ супермасивне црне рупе, оне би требало да буду ексклузивно право једино најмасивнијих и најактивнијих галаксија, као што су елиптична галаксија М87 или далеки квазари. Супротно њима, наш Млечни пут спада у врло мирну галаксију која улази у завршну фазу свог еволутивог пута. Због тога се идеја о постојању џиновске црне рупе у центру Млечног пута дуго сматрала научно неутемељеном. Развој астрономије на радио-таласима учинио је да она поново буде ревидирана када су радио-антенама Грин Бенк, у Западној Вирџинији, астрономи уочили изузетно снажно радио-зрачење из центра Млечног пута. Тај извор је назван Sagittarius A* због тога што је лоциран у сазвежђу Стрелац (Sagittarius).
Да ли и Млечни пут има своју супермасивну црну рупу?
Почетком деведесетих година прошлог века на сцену ступају овогодишњи Нобелови лауреати, Рајнхард Генцел и Андреа Гез. И Генцел и Гез су имали исту идеју: пронаћи младе звезде довољно близу претпостављене позиције црне рупе и пратити њихово вишегодишње кретање. Другим речима, идеја је била да се добију подаци о маси централног објекта (црне рупе), на основу праћења других објеката који ротирају око ње (младих звезда). Оба тима морала су да превазиђу инструменталне недостатке тог времена и развију рафиниране технике посматрања, које би биле довољно прецизне да детектују кретање појединачних звезда у близини центра региона Sagittarius A*. У то време, Генцел је већ био познат астроном са сталном научном позицијом на Институту „Макс Планк“, док је Гез била тек млада докторка наука на почетку своје научне каријере. Овај податак је важан јер у веома компетитивним астрономским истраживањима млади научници обично немају привилегију да добију загарантовано време за посматрање на неким од великих телескопа, што њихове напоре чини много већим, а истраживање неизвеснијим. Тим Андрее Гез је успео да добије право коришћења џиновских телескопа Keck на Хавајима, док је Генцелов тим користио VLT телескоп у Чилеу. Оба тима посебну пажњу су посветила једној звезди, названој С2. Због свог специфичног орбиталног периода, ова звезда је била идеална мета да се, кроз израчунавање њеног периода ротације израчуна маса објекта око којег С2 обилази. Андреа Гез и он су користли различите технике посматрања у блиском инфрацрвеном делу електромагнетног спектра, које су показале колико је важно разумети емисију зрачења младих звезда и њену апсорпцију на честицама прашине да би се потврдило постојање црне рупе у центру Млечног пута.
Био је октобар 2002. године када је међународни тим истраживача предвођен Генцелом објавио анализу дугогодишњнег кретања звезде С2 показавши да је у центру наше галаксије највероватније црна рупа. Каснија истраживања оба тима су потврдила овај резултат. Применивши нов метод рачунања масе тог централног објекта, показано је да објекат у центру наше галаксије има масу од 4,1 милион Сунчевих маса, а да се непосредно око ње налази густо јато активних звезда, феномен који интригира астрофизичаре већ дуже време. Генцел је имао већи тим стручњака на располагању, такође имали су и загарантовано време на још неким великим телескопима на Земљи, тако да су нешто пре супарничког тима Андрее Гез развили технике израчунавања масе централне супермасивне црне рупе, и самим тим раније објавили своје резултате. Занимљиво је напоменути да је међу коауторима рада Gehz et al. 2008, који је одредио карактеристике црне рупе у центру наше галаксије праћењем орбита звезда, и наш астрофизичар, Самир Салим, који више од 20 година живи и ради у САД. Након великог успеха у мерењу масе црне рупе, Генцел је са својим тимом отишао и корак даље – добио је финансијску и техничку подршку за пројекат GRAVITY, систем од четири оптичка телескопа који заједно формирају једно виртуелно огледало од 130 m у пречнику. Циљ пројекта GRAVITY је да се присуство црне рупе потврди и детекцијом кружења огромног облака прашине и гаса којима се супермасивне црне рупе „хране“. Управо је рад објављен 2018. године показао да око центра Sagittarius A* више гасних „облачића“ ротира огромним брзинама, у прилог постојању црне рупе.
Иза завесе славом овенчаних истраживања, дешавала се друга борба. Иако се често потенцира како такмичење у науци подстиче убрзани развој квалитета, вишедеценијско надметање и притисак који оно намеће довели су до великих нетрпељивости између Гез и Генцел, као и чланова оба тима. Андреа Гез је на једној великој конференцији чак оптужила Генцелов тим да је лажирао резултате, док је Генцел у доцнијим интервјуима истицао како је Гезова, иако заслужна за истраживања црне рупе у центру наше галаксије, „незаслужено добила признања која би свакако требало да буду приписана само његовом тиму јер су они први дошли до резултата“. Колико је компетитивност између ова два тима прешла границе фер-плеја, потврдило је и недавно одбијање Рајнхарда Генцела да одржи кратак онлине семинар заједно са Андреом Гез. Овакав ток дешавања није изненадио астрономску научну јавност, али јесте довео до снажних реакција бројних научника који су изразили незадовољство начином на који се награда додељује у времену у ком доминирају велике колаборације, и у којем изразито фаворизовање једног научног лидера поприлично релативизује велики допринос осталих коаутора. Такође је истакнуто да добитници награде не би смели да користе медије и своју позицију како би дискредитовали рад других истраживача.
Овогодишњи добитници Нобелове награде остаће активни у областима које су окупирале њихову пажњу током претходних десетак година. Роџер Пенроуз је емеритус професор на Оксфорду и одавно се не бави мејнстрим науком. Последњих деценија посвећен је филозофским расправама на тему несавршености закона којим човек описује природу, а такође се бави и филозофским дебатама на тему људске подсвести. Андреа Гез је тек четврта жена од више од 200 добитника Нобелове награде за физику. Она је читаву истраживачку каријеру посветила астрофизичким феноменима у вези са орбитом звезда и њиховом еволуцијом, са циљем да боље разуме историју објеката у центрима галаксија попут наше. Она је вођа и групе истраживача на УКЛА, која планира да искористи будући телескоп „Џејмс Веб“ како би проникла у многе, досад невиђене, детаље звезданих система у другим галаксијама. Са друге стране, Генцел је једнако плодан аутор и у истраживању веома далеких галаксија и један од утемељивача нове области која се назива – модерна милиметарска астрононија. Осим што истражује шта се дешава у срцу Млечног пута, Генцел је велики допринос науци дао и у откривању гаса у удаљеним галаксијама користећи интерферометре. Управо је један од његових радова показао да и у далеком свемиру може да се пронађе галаксија која по својим физичким особинама личи на наш Млечни пут.
Истраживања црних рупа и њихове везе са процесом стварања звезда у галаксијама су једна од централних тема модерне астрономије. Управо је коришћење интерферометара, специјално дизајнираног система више радио-антена, кључно за будућност ових истраживања. Прошле године јавност је одушевљено гледала у први снимак сенке супермасивне црне рупе и њене околине детектоване у галаксији М87. Колико год била масивна, ову црну рупу није могао да сними чак ни највећи телескоп који постоји на Земљи, већ је то урађено комбинацијом радио и милиметарских телескопа који су названи Event Horizon Telescope пројекат. За разлику од супермасивне црне рупе у М87, „наша“ галактична црна рупа је релативно тиха и скривена, и без сумње, наредна мета пројекта Event Horizon Telescope. Припремите се!
Дарко Доневски је стипендиста италијанске владе у области космологије, у оквиру пројекта „Прашина у раном свемиру“. Докторирао је 2018. на Универзитету Aix-Marseille, у Француској, са темом „Еволуција далеких галаксија“. Као стипендиста, боравио је на институтима у Лајдену (Холандија) и Тулузу (Француска). Основне студије завршио је на Универзитету у Новом Саду. Стални је сарадник часописа Елементи.
Текст је изворно објављен у 23. броју часописа Елементи.