En kort historie om sorte huller

Sidst i 2018, gravitationsbølgeobservatoriet, LIGO, annonceret, at de havde opdaget den fjerneste og mest massive kilde til krusninger af rumtid, der nogensinde er overvåget:bølger udløst af par af sorte huller, der kolliderer i det dybe rum. Kun siden 2015 har vi været i stand til at observere disse usynlige astronomiske kroppe, som kun kan detekteres ved deres gravitationstiltrækning. Historien om vores jagt på disse gådefulde genstande går tilbage til det 18. århundrede, men den afgørende fase fandt sted i en passende mørk periode af menneskehedens historie - Anden Verdenskrig.

Konceptet om en krop, der ville fange lys, derved bliver usynlig for resten af ​​universet, var først blevet betragtet af naturfilosofferne John Michell og senere Pierre-Simon Laplace i det 18. århundrede. De brugte Newtons gravitationslove til at beregne flugthastigheden for en let partikel fra et legeme, forudsige eksistensen af ​​stjerner så tætte, at lyset ikke kunne undslippe dem. Michell kaldte dem "mørke stjerner".

Men efter opdagelsen af, at lys tog form af en bølge i 1801, det blev uklart, hvordan lys ville blive påvirket af det newtonske gravitationsfelt, så tanken om mørke stjerner blev droppet. Det tog omkring 115 år at forstå, hvordan lys i form af en bølge ville opføre sig under påvirkning af et gravitationsfelt, med Albert Einsteins generelle relativitetsteori i 1915, og Karl Schwarzschilds løsning på dette problem et år senere.

Schwarzschild forudsagde også eksistensen af ​​en kritisk omkreds af en krop, hinsides hvilket lys ikke ville være i stand til at krydse:Schwarzschild-radius. Denne idé lignede Michells, men nu blev denne kritiske omkreds forstået som en uigennemtrængelig barriere.

Det var først i 1933, at George Lemaître viste, at denne uigennemtrængelighed kun var en illusion, som en fjern iagttager ville have. Ved at bruge den nu berømte Alice og Bob-illustration, fysikeren antog, at hvis Bob stod stille, mens Alice hoppede ind i det sorte hul, Bob ville se Alices billede blive langsommere, indtil det fryser, lige før det nåede Schwarzschild-radius. Lemaître viste også, at i virkeligheden, Alice krydser den barriere:Bob og Alice oplever bare begivenheden anderledes.

På trods af denne teori, på det tidspunkt var der ingen kendt genstand af en sådan størrelse, intet engang tæt på et sort hul. Så ingen troede på, at der ville eksistere noget, der ligner de mørke stjerner, som Michell havde antaget. Faktisk, ingen turde endda behandle muligheden med alvor. Ikke før Anden Verdenskrig.

Fra mørke stjerner til sorte huller

Den 1. september 1939, den nazistiske tyske hær invaderede Polen, udløser begyndelsen på krigen, der ændrede verdens historie for altid. Bemærkelsesværdigt, det var på selvsamme dag, at det første akademiske papir om sorte huller blev offentliggjort. Den nu roste artikel, Ved fortsat gravitationssammentrækning, af J Robert Oppenheimer og Hartland Snyder, to amerikanske fysikere, var et afgørende punkt i historien om sorte huller. Denne timing virker særligt mærkelig, når man tænker på, hvor centralt resten af ​​Anden Verdenskrig har i udviklingen af ​​teorien om sorte huller.

Dette var Oppenheimers tredje og sidste papir i astrofysik. I det, han og Snyder forudsiger den fortsatte sammentrækning af en stjerne under indflydelse af dens eget gravitationsfelt, skabe en krop med en intens tiltrækningskraft, som ikke engang lys kunne undslippe fra den. Dette var den første version af det moderne koncept med et sort hul, et astronomisk legeme så massivt, at det kun kan opdages ved dets gravitationstiltrækning.

I 1939, dette var stadig en idé, der var for mærkelig til at blive troet på. Det ville tage to årtier, før konceptet var udviklet nok til, at fysikere ville begynde at acceptere konsekvenserne af den fortsatte sammentrækning beskrevet af Oppenheimer. Og selve Anden Verdenskrig havde en afgørende rolle i dens udvikling, på grund af den amerikanske regerings investering i at forske i atombomber.

Genfødt fra asken

Oppenheimer, selvfølgelig, var ikke kun en vigtig karakter i historien om sorte huller. Han skulle senere blive leder af Manhattan Project, forskningscentret, der førte til udviklingen af ​​atomvåben.

Politikere forstod vigtigheden af ​​at investere i videnskab for at bringe militær fordel. Følgelig, over hele linjen, der var store investeringer i krigsrelateret revolutionær fysikforskning, kernefysik og udvikling af nye teknologier. Alle mulige fysikere dedikerede sig til denne form for forskning, og som en umiddelbar konsekvens, områderne kosmologi og astrofysik blev for det meste glemt, inklusive Oppenheimers papir.

På trods af det årti, der er tabt til storstilet astronomisk forskning, disciplinen fysik trivedes som en helhed som et resultat af krigen - faktisk, militærfysik endte med at øge astronomi. USA forlod krigen som centrum for moderne fysik. Antallet af ph.d.'er steg i vejret, og en ny tradition for postdoc-uddannelse blev etableret.

Ved slutningen af ​​krigen, studiet af universet blev genoplivet. Der kom en renæssance i den engang undervurderede teori om almen relativitet. Krigen ændrede den måde, vi laver fysik på:og til sidst, dette førte til, at områderne kosmologi og generel relativitet fik den anerkendelse, de fortjener. Og dette var grundlæggende for accepten og forståelsen af ​​de sorte huller.

Princeton University blev derefter centrum for en ny generation af relativister. Det var der, at kernefysikeren, John A Wheeler, som senere populariserede navnet "sort hul", havde sin første kontakt med almen relativitetsteori, og genanalyserede Oppenheimers arbejde. Skeptisk i starten, nære relativisters indflydelse, nye fremskridt inden for beregningssimulering og radioteknologi – udviklet under krigen – gjorde ham til den største entusiast for Oppenheimers forudsigelse den dag, krigen brød ud, 1. september 1939.

Siden da, nye egenskaber og typer af sorte huller er blevet teoretiseret og opdaget, men alt dette kulminerede først i 2015. Målingen af ​​gravitationsbølgerne skabt i et sort hul binært system var det første konkrete bevis på, at sorte huller eksisterer.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.