Tre forskare vann Nobelpriset i fysik på tisdagen för att ha fastställt den alltför konstiga verkligheten i svarta hål-de kosmiska monster som rinner ut från science-fiction som suger upp ljus och tid och så småningom kommer att svälja oss, för.

Roger Penrose från Storbritannien, Reinhard Genzel från Tyskland och Andrea Ghez i USA förklarade för världen dessa återvändsgränder i kosmos som fortfarande inte är helt förstådda men är djupt anslutna, på något sätt, till skapandet av galaxer.

Penrose, en 89-åring vid University of Oxford, fick hälften av priset för att bevisa med matematik 1964 att Einsteins allmänna relativitetsteori förutsade bildandet av svarta hål, även om Einstein själv inte trodde att de fanns.

Genzel, som är vid både Max Planck Institute i Tyskland och University of California, Berkeley, och Ghez, vid University of California, Los Angeles, fick den andra halvan av priset för att på 1990 -talet upptäcka ett supermassivt svart hål i mitten av vår galax.

Svarta hål fascinerar människor eftersom "tanken på att ett monster där ute suger upp allt är en ganska konstig sak, "Penrose sa att en intervju med Associated Press. Han sa att vår galax och galaxerna nära oss" i slutändan kommer att bli uppslukade av ett helt enormt svart hål. Detta är ödet ... men inte på fruktansvärt lång tid, så det är inget att oroa sig för mycket för. "

Svarta hål är i mitten av varje galax, och mindre prickar universum. Bara deras existens är sinnesböjande. De är så massiva att ingenting, inte ens ljus, kan undkomma deras dragkraft. De vrider och vrider ljuset på ett sätt som verkar overkligt och får tiden att sakta ner och stanna.

"Svarta hål, för att de är så svåra att förstå, är det som gör dem så tilltalande, '' Ghez, 55, sa efter att ha blivit den fjärde kvinnan någonsin att vinna en nobel i fysik. "Jag tänker verkligen på vetenskap som en stor, jättepussel. "

Medan de tre forskarna visade att det finns svarta hål, det var inte förrän förra året som människor kunde se en själv när ett annat vetenskapsteam tog den första och enda optiska bilden av en. Det ser ut som en flammande munk från helvetet men är i en galax 53 miljoner ljusår från jorden.

Penrose, en matematisk fysiker som fick samtalet från Nobelkommittén medan han var i duschen, blev förvånad över att han vann eftersom hans arbete är mer teoretiskt än observatoriskt, och det är vanligtvis inte det som vinner fysik nobel.

Det som fascinerade Penrose mer än det svarta hålet var det som fanns i andra änden av det, något som kallas "singularitet". Det är något vetenskapen fortfarande inte kan ta reda på.

"Säregenhet, det är en plats där tätheten och krökningarna går i oändlighet. Du förväntar dig att fysiken blir galen, "sa han från sitt hem." Om du hamnar i ett svart hål, då blir du ganska oundvikligen klämd i denna singularitet i slutet. Och det är slutet. "

Penrose sa att han gick till jobbet med en kollega för 56 år sedan, tänker på "hur det skulle vara att vara i den här situationen där allt detta material kollapsar runt dig." Han insåg att han hade "någon konstig känsla av upprymdhet, "och det var när saker började samlas i hans sinne.

Martin Rees, den brittiska astronomen royal, noterade att Penrose utlöste en "renässans" i studiet av relativitet på 1960 -talet, och det, tillsammans med en ung Stephen Hawking, han hjälpte till att få fram bevis för Big Bang och svarta hål.

"Penrose och Hawking är de två individer som har gjort mer än någon annan sedan Einstein för att fördjupa vår kunskap om gravitation, "Sade Rees." Tyvärr, denna utmärkelse blev för mycket försenad för att Hawking skulle kunna dela äran. "

Hawking dog 2018, och Nobelpris tilldelas bara de levande.

New York University astrofysiker Glennys Farrar sa:"Det råder ingen tvekan om att om detta pris delades ut när Hawking fortfarande levde, han skulle dela det. Han gjorde överlag mer betydande arbete i detta ämne än nästan alla. "

Genzel, 68, och Ghez vann för att "de visade att svarta hål inte bara är teori - de är verkliga, de är här, och det finns ett svart hål i monsterstorlek i mitten av vår galax, Vintergatan, "sa Brian Greene, en teoretisk fysiker och matematiker vid Columbia University.

På 1990 -talet, Genzel och Ghez, ledande separata grupper av astronomer, tränat sina sevärdheter i den dammtäckta mitten av vår Vintergatans galax, en region som heter Skytten A (asterisk), där något konstigt var på gång. Det var "extremt tungt, osynligt föremål som drar i stjärnmassan, får dem att rusa runt i svindlande hastigheter, "enligt Nobelkommittén.

Det var ett svart hål. Inte bara ett vanligt svart hål, men en supermassiv sådan, 4 miljoner gånger massan av vår sol.

Den första bilden Ghez fick var 1995, med hjälp av Keck -teleskopet på Hawaii som just hade gått online. Ett år senare, en annan bild tycktes tyda på att stjärnorna nära Vintergatans centrum kretsade något. En tredje bild fick Ghez och Genzel att tro att de verkligen var på väg till något.

En hård konkurrens utvecklades mellan Ghez och Genzel, vars team använde en rad teleskop vid European Southern Observatory i Chile.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 

"Deras rivalitet höjde dem till större vetenskapliga höjder, säger Harvard -astronomen Avi Loeb.

Till skillnad från andra prestationer hedrade med Nobels, det finns ingen praktisk tillämpning för dessa upptäckter.

"Finns det en praktisk tillämpning på Beethovens nionde symfoni?" Frågade Columbia's Greene. "Men dess existens, denna typ av spektakulär kunskap, är en del av det som ger livet mening. "

Nobeln kommer med en guldmedalj och 10 miljoner kronor (mer än 1,1 miljoner dollar), med tillstånd av ett testamente som lämnades för 124 år sedan av prisets skapare, Alfred Nobel, uppfinnaren av dynamit.

På måndag, Nobelmedicinen tilldelades amerikanerna Harvey J. Alter och Charles M. Rice och den brittiskfödde forskaren Michael Houghton för att ha upptäckt det lever-härjande hepatit C-viruset. Priserna för kemi, litteratur, fred och ekonomi kommer att meddelas under de kommande dagarna.

Nobelstiftelsens tillkännagivande:

Kungliga Vetenskapsakademien har beslutat att tilldela Nobelpriset i fysik 2020

med en halv till

Roger Penrose

Oxfords universitet, Storbritannien

"för upptäckten att svart hålbildning är en robust förutsägelse av den allmänna relativitetsteorin"

och den andra halvan gemensamt till

Reinhard Genzel

Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garcher, Tyskland och University of California, Berkeley, USA

och

Andrea Ghez

University of California, Los Angeles, USA

"för upptäckten av ett supermassivt kompakt objekt i mitten av vår galax"

Svarta hål och Vintergatans mörkaste hemlighet

Tre pristagare delar årets Nobelpris i fysik för sina upptäckter om ett av de mest exotiska fenomenen i universum, svarta hålet. Roger Penrose visade att den allmänna relativitetsteorin leder till bildandet av svarta hål. Reinhard Genzel och Andrea Ghez upptäckte att ett osynligt och extremt tungt föremål styr stjärnornas banor i mitten av vår galax. Ett supermassivt svart hål är den enda för närvarande kända förklaringen.

Roger Penrose använde sinnrika matematiska metoder i sitt bevis på att svarta hål är en direkt följd av Albert Einsteins allmänna relativitetsteori. Einstein trodde inte själv att svarta hål verkligen finns, dessa super-tunga monster som fångar allt som kommer in i dem. Ingenting kan fly, inte ens ljus.

I januari 1965, tio år efter Einsteins död, Roger Penrose bevisade att svarta hål verkligen kan bildas och beskrev dem i detalj; i deras hjärta, svarta hål döljer en singularitet där alla kända naturlagar upphör. Hans banbrytande artikel anses fortfarande vara det viktigaste bidraget till den allmänna relativitetsteorin sedan Einstein.

Reinhard Genzel och Andrea Ghez leder var och en en grupp astronomer som, sedan början av 1990 -talet, har fokuserat på en region som heter Skytten A* i mitten av vår galax. Banorna för de ljusaste stjärnorna närmast mitten av Vintergatan har kartlagts med ökande precision. Mätningarna av dessa två grupper är överens, med båda att hitta en extremt tung, osynligt föremål som drar i stjärnmassan, får dem att rusa runt i svindlande hastigheter. Runt fyra miljoner solmassor packas ihop i en region som inte är större än vårt solsystem.

Med världens största teleskop, Genzel och Ghez utvecklade metoder för att se genom de enorma molnen av interstellär gas och damm till Vintergatans centrum. Sträcker gränserna för teknik, de förfinade nya tekniker för att kompensera för snedvridningar orsakade av jordens atmosfär, bygga unika instrument och engagera sig för långsiktig forskning. Deras banbrytande arbete har gett oss det mest övertygande beviset på ett supermassivt svart hål i Vintergatans centrum.

"Upptäckten av årets pristagare har brutit ny mark i studiet av kompakta och supermassiva objekt. Men dessa exotiska objekt ställer fortfarande många frågor som ber om svar och motiverar framtida forskning. Inte bara frågor om deras inre struktur, men också frågor om hur man testar vår gravitationsteori under extrema förhållanden i omedelbar närhet av ett svart hål ", säger David Haviland, ordförande i Nobelkommittén för fysik.

Ett genombrott bortom Einstein

Inte ens Albert Einstein, fadern till allmän relativitet, trodde att svarta hål faktiskt kunde existera. Dock, tio år efter Einsteins död, den brittiska teoretikern Roger Penrose visade att svarta hål kan bilda och beskriva deras egenskaper. I deras hjärta, svarta hål döljer en singularitet, en gräns där alla kända naturlagar bryts.

För att bevisa att svarthålsbildning är en stabil process, Penrose behövde utöka metoderna för att studera relativitetsteorin - hantera teorins problem med nya matematiska begrepp. Penroses banbrytande artikel publicerades i januari 1965 och anses fortfarande vara det viktigaste bidraget till den allmänna relativitetsteorin sedan Einstein.

Tyngdkraften håller universum i sitt grepp

Svarta hål är kanske den märkligaste konsekvensen av den allmänna relativitetsteorin. När Albert Einstein presenterade sin teori i november 1915, det uppgraderade alla tidigare begrepp om rum och tid. Teorin gav en helt ny grund för att förstå gravitationen, som formar universum i största skala. Sedan dess, denna teori har gett grunden för alla studier av universum, och har också praktisk användning i ett av våra vanligaste navigationsverktyg, GPS:en.

Einsteins teori beskriver hur allt och alla i universum hålls i gravitationens grepp. Tyngdkraften håller oss på jorden, den styr planeternas banor runt solen och solens bana runt Vintergatans centrum. Det leder till födelsen av stjärnor från interstellära moln, och så småningom deras död i en gravitationskollaps. Gravitation ger form till rymden och påverkar tidens gång. En tung massa böjer rymden och bromsar tiden; en extremt tung massa kan till och med klippa av och inkapsla en bit utrymme - bilda ett svart hål.

Den första teoretiska beskrivningen av det vi nu kallar ett svart hål kom bara några veckor efter publiceringen av den allmänna relativitetsteorin. Trots teorins extremt komplicerade matematiska ekvationer, den tyska astrofysikern Karl Schwarzschild kunde förse Einstein med en lösning som beskrev hur tunga massor kan böja rum och tid.

Senare studier visade att när ett svart hål har bildats, den omges av en händelsehorisont som sveper runt massan i mitten som en slöja. Det svarta hålet förblir för alltid dolt inuti dess evenemangshorisont. Ju större massa, desto större är det svarta hålet och dess horisont. För en massa som motsvarar solen, evenemangshorisonten har en diameter på nästan tre kilometer och, för en massa som jordens, dess diameter är bara nio millimeter.

En lösning bortom perfektion

Begreppet "svarta hålet" har fått ny mening i många former av kulturellt uttryck men, för fysiker, svarta hål är den naturliga slutpunkten för utvecklingen av jätte stjärnor. Den första beräkningen av den dramatiska kollapsen av en massiv stjärna gjordes i slutet av 1930 -talet, av fysikern Robert Oppenheimer, som senare ledde Manhattan -projektet som konstruerade den första atombomben. När jätte stjärnor, många gånger tyngre än solen, tar slut på bränsle, de exploderar först som supernovor och kollapsar sedan till extremt tätt packade rester, så tung att gravitationen drar allt inuti, till och med ljus.

Idén om "mörka stjärnor" ansågs så länge sedan som i slutet av 1700 -talet, i verk av den brittiske filosofen och matematikern John Michell och den berömda franska forskaren Pierre Simon de Laplace. Båda hade resonerat att himmelska kroppar kunde bli så täta att de skulle vara osynliga - inte ens ljusets hastighet skulle vara tillräckligt snabb för att slippa deras gravitation.

Lite mer än ett sekel senare, när Albert Einstein publicerade sin allmänna relativitetsteori, några av lösningarna på teorins notoriskt svåra ekvationer beskrev just sådana mörka stjärnor. Fram till 1960 -talet, dessa lösningar betraktades som rent teoretiska spekulationer, beskriver idealiska situationer där stjärnor och deras svarta hål var perfekt runda och symmetriska. Men ingenting i universum är perfekt, och Roger Penrose var den första som framgångsrikt hittade en realistisk lösning för all kollapsande materia, med sina inslag, gropar och naturliga brister.

Kvasarnas mysterium

Frågan om förekomsten av svarta hål återuppstod 1963, med upptäckten av kvasarer, de ljusaste objekten i universum. I nästan ett decennium, astronomer hade förbryllats av radiostrålar från mystiska källor, såsom 3C273 i stjärnbilden Jungfrun. Strålningen i synligt ljus avslöjade slutligen dess riktiga plats - 3C273 är så långt bort att strålarna färdas mot jorden i över en miljard år.

Om ljuskällan är så långt bort, den måste ha en intensitet som är lika med ljuset från flera hundra galaxer. Det fick namnet 'quasar'. Astronomer hittade snart kvasarer som var så avlägsna att de hade avgivit sin strålning i universums tidiga barndom. Var kommer denna otroliga strålning ifrån? Det finns bara ett sätt att få så mycket energi inom en kvasars begränsade volym - från att materia faller ner i ett massivt svart hål.

Fångade ytor löste gåtan

Om svarta hål skulle kunna bildas under realistiska förhållanden var en fråga som förbryllade Roger Penrose. Svaret, som han senare erinrade om, dök upp hösten 1964 under en promenad med en kollega i London, där Penrose var professor i matematik vid Birkbeck College. När de för ett ögonblick slutade prata för att korsa en sidogata, en idé blinkade i hans sinne. Senare på eftermiddagen, han sökte efter det i sitt minne. Denna idé, som han kallade instängda ytor, var nyckeln han omedvetet letat efter, ett avgörande matematiskt verktyg som behövs för att beskriva ett svart hål.

En instängd yta tvingar alla strålar att peka mot ett centrum, oavsett om ytan böjer sig utåt eller inåt. Använda instängda ytor, Penrose kunde bevisa att ett svart hål alltid döljer en singularitet, en gräns där tid och rum slutar. Dess densitet är oändlig och, hittills, det finns ingen teori om hur man ska närma sig detta konstigaste fenomen inom fysiken.

Fångade ytor blev ett centralt begrepp i slutförandet av Penrose bevis på singularitetsteoremet. De topologiska metoder han introducerade är nu ovärderliga i studiet av vårt krökta universum.

En enkelriktad gata till slutet av tiden

När materia börjar kollapsa och en instängd yta bildas, ingenting kan hindra kollapsen från att fortsätta. Det finns ingen väg tillbaka, som i historien berättad av fysikern och nobelpristagaren Subrahmanyan Chandrasekhar, från sin barndom i Indien. Berättelsen handlar om trollsländor och deras larver, som lever under vattnet. När en larv är redo att fälla ut sina vingar, den lovar att den kommer att berätta för sina vänner hur livet är på andra sidan vattenytan. Men när larven väl passerar genom ytan och flyger iväg som en trollslända, det finns ingen återvändo. Larverna i vattnet kommer aldrig att höra livshistorien på andra sidan.

Liknande, all materia kan bara korsa ett svart håls händelsehorisont i en riktning. Tiden ersätter sedan rymden och alla möjliga vägar pekar inåt, tidsflödet som bär allt mot ett oundvikligt slut vid singulariteten. Du kommer inte att känna något om du faller genom händelsehorisonten i ett supermassivt svart hål. Från utsidan, ingen kan se dig falla in och din resa mot horisonten fortsätter för alltid. Att kika in i ett svart hål är inte möjligt inom fysikens lagar; svarta hål gömmer alla sina hemligheter bakom deras evenemangshorisonter.

Svarta hål styr stjärnornas vägar

Även om vi inte kan se det svarta hålet, det är möjligt att fastställa dess egenskaper genom att observera hur dess kolossala gravitation styr de omgivande stjärnornas rörelser.

Reinhard Genzel och Andrea Ghez leder var och en separata forskargrupper som utforskar mitten av vår galax, Vintergatan. Formad som en platt skiva cirka 100, 000 ljusår över, den består av gas och damm och några hundra miljarder stjärnor; en av dessa stjärnor är vår sol. Från vår utsiktspunkt på jorden, enorma moln av interstellär gas och damm döljer det mesta av det synliga ljuset som kommer från galaxens mitt. Infraröda teleskop och radioteknik var det som först tillät astronomer att se genom galaxens skiva och avbilda stjärnorna i mitten.

Använda stjärnornas banor som guider, Genzel och Ghez har tagit fram det mest övertygande beviset att det finns ett osynligt supermassivt föremål som gömmer sig där. Ett svart hål är den enda möjliga förklaringen.

Fokusera på mitten

I mer än femtio år har fysiker har misstänkt att det kan finnas ett svart hål i mitten av Vintergatan. Ända sedan kvasarer upptäcktes i början av 1960 -talet fysikerna menade att supermassiva svarta hål kan hittas inuti de flesta stora galaxer, inklusive Vintergatan. Dock, ingen kan för närvarande förklara hur galaxerna och deras svarta hål, mellan några miljoner och många miljarder solmassor, bildades.

För hundra år sedan, den amerikanske astronomen Harlow Shapley var den första som identifierade Vintergatans centrum, i riktning mot stjärnbilden Skytten. Med senare observationer fann astronomer en stark källa till radiovågor där, som fick namnet Skytten A*. Mot slutet av 1960 -talet det blev klart att Skytten A* upptar centrum av Vintergatan, runt vilka alla stjärnor i galaxen kretsar.

Det var inte förrän på 1990 -talet som större teleskop och bättre utrustning möjliggjorde mer systematiska studier av Skytten A*. Reinhard Genzel och Andrea Ghez startade varsin projekt för att försöka se genom dammmolnen till hjärtat av Vintergatan. Tillsammans med sina forskargrupper, de utvecklade och förfinade sina tekniker, bygga unika instrument och engagera sig för långsiktig forskning.

Endast världens största teleskop kommer att räcka för att titta på avlägsna stjärnor - ju större desto bättre är absolut sant inom astronomi. Den tyska astronomen Reinhard Genzel och hans grupp använde initialt NTT, det nya teknikteleskopet på La Silla -berget i Chile. De flyttade så småningom sina observationer till Very Large Telescope -anläggningen, VLT, på Paranalberget (även i Chile). Med fyra gigantiska teleskop dubbelt så stora som NTT, VLT har världens största monolitiska speglar, var och en med en diameter på mer än 8 meter.

I USA., Andrea Ghez och hennes forskargrupp använder Keck -observatoriet, beläget på Hawaii -berget Mauna Kea. Dess speglar är nästan 10 meter i diameter och är för närvarande bland de största i världen. Varje spegel är som en honungskaka, bestående av 36 sexkantiga segment som kan styras separat för att bättre fokusera stjärnljuset.

Stjärnorna visar vägen

Hur stora teleskop som helst, det finns alltid en gräns för detaljerna de kan lösa eftersom vi bor i botten av ett nästan 100 kilometer djupt atmosfäriskt hav. Stora luftbubblor ovanför teleskopet, som är varmare eller kallare än deras omgivning, agera som linser och bryta ljuset på väg till teleskopets spegel, förvränga ljusvågorna. Det är därför stjärnorna blinkar och också varför deras bilder är suddiga.

Tillkomsten av adaptiv optik var avgörande för att förbättra observationer. Teleskopen är nu utrustade med en tunn extra spegel som kompenserar för luftens turbulens och korrigerar den förvrängda bilden.

I nästan trettio år har Reinhard Genzel och Andrea Ghez har följt sina stjärnor i det avlägsna stjärnmixet i mitten av vår galax. De fortsätter att utveckla och förfina tekniken, med mer känsliga digitala ljussensorer och bättre adaptiv optik, så att bildupplösningen har förbättrats mer än tusen gånger. De kan nu mer exakt bestämma stjärnornas positioner, följer dem natt för natt.

Forskarna spårar ett trettiotal av de ljusaste stjärnorna i mängden. Stjärnorna rör sig snabbast inom en radie av en ljusmånad från centrum, inuti som de utför en hektisk dans som den av en svärm av bin. Stjärnorna som ligger utanför detta område, å andra sidan, följa deras elliptiska banor på ett mer ordnat sätt.

En stjärna, kallas S2 eller S-O2, fullbordar en bana av galaxens mitt på mindre än 16 år. Det här är extremt kort tid, så astronomerna kunde kartlägga hela dess bana. Vi kan jämföra detta med solen, som tar mer än 200 miljoner år att genomföra ett varv runt Vintergatans centrum; dinosaurier gick på jorden när vi började vårt nuvarande varv.

Teori och observationer följer varandra

Överensstämmelsen mellan mätningarna av de två lagen var utmärkt, vilket leder till slutsatsen att det svarta hålet i mitten av vår galax bör motsvara cirka 4 miljoner solmassor, packade in i en region lika stor som vårt solsystem.

Vi kan snart få en direkt titt på Skytten A*. Detta är nästa på listan eftersom, för drygt ett år sedan, Event Horizon Telescope astronomy network lyckades avbilda den närmaste omgivningen av ett supermassivt svart hål. Längst in, i galaxen känd som Messier 87 (M87), 55 miljoner ljusår från oss, är ett svartare än svart öga omgivet av en eldring.

Den svarta kärnan i M87 är gigantisk, mer än tusen gånger tyngre än Skytten A*. De kolliderande svarta hålen som orsakade de nyligen upptäckta gravitationella vågorna var betydligt lättare. Som svarta hål, gravitationella vågor existerade endast som beräkningar från Einsteins allmänna relativitetsteori, innan de fångades för första gången hösten 2015, av LIGO -detektorn i USA (Nobelpriset i fysik, 2017).

Vad vi inte vet

Roger Penrose visade att svarta hål är en direkt följd av den allmänna relativitetsteorin men, i singularitetens oändligt starka gravitation, denna teori upphör att gälla. Intensivt arbete bedrivs inom teoretisk fysik för att skapa en ny teori om kvantgravitation. Detta måste förena fysikens två pelare, relativitetsteorin och kvantmekaniken, som möts i det extrema inre av svarta hål.

På samma gång, observationer kommer närmare svarta hål. Det banbrytande arbetet av Reinhard Genzel och Andrea Ghez har lett vägen för nya generationer av exakta tester av den allmänna relativitetsteorin och dess mest bisarra förutsägelser. Mest troligt, dessa mätningar kommer också att kunna ge ledtrådar för nya teoretiska insikter. Universum har många hemligheter och överraskningar kvar att upptäcka.

© 2020 Associated Press. Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, skrivs om eller distribueras utan tillstånd.