O scurtă istorie a găurilor negre
La sfârșitul anului 2018, fizicienii din cadrul Observatorului de unde gravitaţionale LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) au anunțat că au detectat cea mai îndepărtată și mai intensă sursă de unde gravitaţionale care a fost observată vreodată: undele provocate de ciocnirea unor găuri negre masive.
Primele unde gravitaţionale au fost observate abia în anul 2015, LIGO detectând undele gravitaționale produse în urma fuziunii a două găuri negre. În urma acestui eveniment a rezultat o gaură neagră în rotaţie, mult mai masivă.
Originea conceptului de gaură neagră datează încă din secolul al XVIII-lea, dar definirea noţiunii de gaură neagră a avut loc într-o perioadă întunecată a istoriei umane, al doilea război mondial.
Ideea unui corp a cărui gravitaţie intensă poate reţine lumina, devenind astfel invizibil pentru restul universului, a fost considerată, pentru prima dată, de către filosofii naturalişti John Michell și Pierre-Simon Laplace în secolul al XVIII-lea.
John Michell și Pierre-Simon Laplace au folosit legea gravitației a lui Newton pentru a calcula viteza de evadare a unei particule ușoare din câmpul gravitaţional al unui corp, prezicând existența unor stele atât de masive încât nici măcar lumina nu poate scăpa de atracția lor gravitaţională.
Michell le-a denumit „stele întunecate”.
În anul 1801 s-a descoperit că lumina este o undă electromagnetică. Deoarece modul de interacțiune dintre o undă (lumina) şi un câmp gravitaţional newtonian era necunoscut, ideea existenței unor stele întunecate a fost abandonată.
A fost nevoie de aproximativ 115 ani pentru ca fizicienii să înţeleagă modul cum se comportă lumina sub influența unui câmp gravitațional, odată cu teoria relativității generale a lui Albert Einstein, din anul 1915 și cu soluția lui Karl Schwarzschild la ecuațiile relativităţii generalizate, care a fost publicată un an mai târziu.
Schwarzschild a prezis existența unei circumferințe critice a unui corp, dincolo de care lumina nu poate trece: raza Schwarzschild. Această idee era similară cu cea a lui Michell, dar acum această circumferință critică a fost înțeleasă ca o frontieră impenetrabilă, denumită orizontul evenimentelor unei găuri negre
Raza Schwarzchild. Credit: Tetra Quark/Wikimedia Commons, CC BY-SA
În anul 1933 George Lemaître a arătat că această impenetrabilitate nu era decât o iluzie pe care o are un observator îndepărtat. Folosind o celebra explicație cu două persoane ipotetice, Alice și Bob, fizicianul a presupus că dacă Bob se oprește înainte de a ajunge la raza Schwarzschild în timp ce Alice sare în gaura neagră, Bob va vedea cum mișcarea lui Alice încetineşte până încetează complet, chiar înainte ca Alice să ajungă la raza Schwarzschild.
Lemaître a arătat, de asemenea, că, în realitate, Alice va traversa această frontieră, ceea ce înseamnă că Bob și Alice experimentează orizontul evenimentelor în mod diferit.
Deşi teoria relativităţii generalizate a sugerat existența găurilor negre, nu existau dovezi observaţionale despre stele întunecate sau găuri negre. Nimeni nu credea că ar exista ceva asemănător unor stele întunecate, așa cum a sugerat Michell.
De fapt, nimeni nu a îndrăznit să trateze această posibilitate cu seriozitate. Cel puțin până la cel de-al doilea război mondial.
De la stele întunecate la găuri negre
În data de 1 septembrie 1939 armata germană nazistă a invadat Polonia, ceea ce a marcat începutul celui de-al doilea război mondial care a schimbat istoria lumii pentru totdeauna.
În mod remarcabil, în această zi a fost publicată prima lucrare academică privind găurile negre.
Articolul intitulat „On Continued Gravitational Contraction” („Despre contracția gravitațională continuă”) de J. Robert Oppenheimer și Hartland Snyder, doi fizicieni americani, a reprezentat un punct crucial în istoria găurilor negre.
În această lucrare, care a fost cea de-a treia și ultima a lui Oppenheimer în domeniul astrofizicii, Oppenheimer și Snyder prezic contracția continuă a unei stele sub influența propriului câmp gravitațional. Rezultă astfel un corp cu o forță de atracție intensă de care nici măcar lumina nu poate să scape.
Gaură neagră. Credit: Cepheia/Shutterstock.com
Aceasta a fost prima versiune a conceptului modern de gaură neagră, un corp astronomic masiv care nu poate fi detectat decât prin atracția sa gravitațională.
În anul 1939 această idee era mult prea ciudată pentru a fi credibilă. Au mai trecut două decenii până când conceptul de gaură neagră a fost suficient de mult dezvoltat pentru ca fizicienii să accepte consecințele contracției gravitaţionale continue care a fost descrisă de Oppenheimer.
Al doilea război mondial a avut un rol esențial în dezvoltarea conceptului de gaură neagră, ca urmare a cercetărilor privind bomba atomică.
Einstein și Oppenheimer, în jurul anului 1950. Credit: Wikimedia Commons
Renăscut din cenușă
Oppenheimer a fost un fizician important în istoria găurilor negre, care mai târziu a devenit conducătorul Proiectului Manhattan, destinat cercetărilor care au condus la dezvoltarea bombelor atomice.
Politicienii au înțeles importanța investiției în știință pentru câștigarea superiorităţii militare. În consecință, s-a investit în cercetările din fizică cu aplicații în domeniul militar, fizica nucleară și dezvoltarea noilor tehnologii.
Un număr mare de fizicieni s-au dedicat acestui tip de cercetare și, ca o consecință imediată, multe studii din cosmologie și astrofizică au fost trecute cu vederea, inclusiv lucrarea lui Oppenheimer.
În ciuda unui deceniu în care cercetarea astronomică pe scară largă a înregistrat un regres, fizica în ansamblu a progresat ca urmare a războiului.
La sfârșitul celui de-al doilea război mondial SUA se afla în fruntea cercetărilor din fizica modernă. Numărul de doctoranzi în fizică a crescut rapid și educația postdoctorală a devenit o tradiţie.
Studiul Universului pe baza teoriei relativității generalizate a revenit în actualitate. Războiul a schimbat modul cum studiem fizica și, în cele din urmă, acest lucru a condus la recunoașterea importanței cosmologiei și relativității generale, care sunt fundamentale pentru înțelegerea găurilor negre.
Princeton Universitya devenit centrul cercetărilor în domeniul relativităţii generale. Acolo fizicianul John A Wheeler, care mai târziu a popularizat termenul de „gaură neagră”, a avut primul său contact cu relativitatea generală și a reanalizat lucrarea lui Oppenheimer.
Deși sceptic la început, John A Wheeler a devenit sub influența noilor cercetări în domeniul relativităţii, progreselor în simularea computațională și tehnologia radio, dezvoltată în timpul războiului, un susţinător al predicției lui Oppenheimer din ziua declanșării războiului, 1 septembrie 1939.
De atunci au fost teoretizate și descoperite noi caracteristici ale găurilor negre, însă toate aceste cercetări au culminat odată cu descoperirea undelor gravitaţionale în anul 2015.
Măsurarea undelor gravitaționale generate într-un sistem binar de găuri negre a fost prima dovadă concretă a existenței găurilor negre.
Traducere şi adaptare după A brief history of black holes