Η απίστευτη ιστορία του πώς ανακαλύψαμε τις μαύρες τρύπες

Ο Karl Schwarzschild ήταν καθηγητής αστρονομίας στο Αστεροσκοπείο του Βερολίνου, ο οποίος, με το ξέσπασμα του Α' Παγκοσμίου Πολέμου, προσφέρθηκε εθελοντικά στον γερμανικό στρατό. Δεν χρειάστηκε:είχε καλή δουλειά και ήταν 40 ετών. Αλλά ήταν Εβραίος, ο αντισημιτισμός ήταν σε άνοδο στη Γερμανία και ήθελε να αποδείξει ότι ήταν εξίσου Γερμανός με όλους τους άλλους.

Ο Schwarzschild διηύθυνε έναν μετεωρολογικό σταθμό στο Βέλγιο, υπολόγισε τις τροχιές των οβίδων με μια μπαταρία πυροβολικού στη Γαλλία και, στα τέλη του 1915, βρέθηκε στο Ανατολικό Μέτωπο. Εκεί, εμφάνισε φουσκάλες στο στόμα του. Απλώθηκαν σε ολόκληρο το σώμα του και στάλθηκε σε ένα νοσοκομείο υπαίθρου, όπου διαγνώστηκε με Pemphigas vulgaris, μια σπάνια αυτοάνοση ασθένεια στην οποία το ανοσοποιητικό σύστημα επιτίθεται στο δέρμα.

Διαβάστε περισσότερα:

• Η εικόνα M87 θα αλλάξει την κατανόησή μας για τις μαύρες τρύπες, αλλά γιατί ήταν τόσο δύσκολο να τραβήξουμε τη φωτογραφία;
• Όλα όσα θέλατε να μάθετε για τις μαύρες τρύπες (και πού να τις βρείτε)

Ο Schwarzschild ήξερε ότι ήταν σοβαρό επειδή το δέρμα είναι το μεγαλύτερο όργανο. Είναι μέσω του δέρματος που χάνεται η θερμότητα και έτσι, όταν τίθεται σε κίνδυνο, δεν είναι δυνατός ο έλεγχος της θερμοκρασίας του σώματος. Επίσης, το δέρμα είναι ένα φράγμα έναντι των μικροοργανισμών και έτσι, όταν αυτός ο φραγμός παραβιάζεται, ένα άτομο είναι επιρρεπές σε απειλητική για τη ζωή μόλυνση. Η πάθηση παραμένει ανίατη σήμερα, αν και μπορεί να αντιμετωπιστεί με στεροειδή. Αλλά το 1915 δεν υπήρχε τίποτα.

Για να αποσπάσει την προσοχή του, ο Schwarzschild στράφηκε στη φυσική. Πίσω στο Βερολίνο, γνώριζε ότι ο Άλμπερτ Αϊνστάιν εργαζόταν πάνω σε μια επαναστατική νέα θεωρία της βαρύτητας. Και όταν έμαθε ότι ο Αϊνστάιν το είχε παρουσιάσει σε τέσσερις διαλέξεις τον Νοέμβριο του 1915, έλαβε και καταβρόχθισε μια γραπτή περίληψη.

Από τον Νεύτωνα στον Αϊνστάιν

Ο Ισαάκ Νεύτων φαντάστηκε ότι υπήρχε μια δύναμη βαρύτητας μεταξύ του Ήλιου και της Γης, σαν ένα αόρατο δέσιμο που κρατούσε τη Γη παγιδευμένη σε τροχιά. Ο Αϊνστάιν συνειδητοποίησε ότι αυτό ήταν λάθος. Στην πραγματικότητα, ένα τεράστιο σώμα όπως ο Ήλιος δημιουργεί μια κοιλάδα στον χωροχρόνο γύρω του και η Γη ταξιδεύει στις ανώτερες πλαγιές της κοιλάδας σαν μια μπάλα ρουλέτας σε τροχό ρουλέτας.

Ο Αϊνστάιν είχε αντικαταστήσει τη μία εξίσωση του Νεύτωνα που περιγράφει τη βαρύτητα κατά 10. Έτσι, ήταν πολύ δύσκολο να καταλάβουμε πώς ο χωροχρόνος στρεβλώνεται από μια δεδομένη μάζα. Αλλά, απίστευτα, ο Schwarzschild βρήκε μια φόρμουλα για τη χωροχρονική καμπυλότητα που μοιάζει με κοιλάδα που προκαλείται από μια σφαιρική μάζα σαν ένα αστέρι. Το έστειλε στο Βερολίνο.

Ο Αϊνστάιν έμεινε έκπληκτος όταν έλαβε μια επιστολή από το Ανατολικό Μέτωπο και ακόμη περισσότερο έκπληκτος βρήκε μια λύση στις εξισώσεις του, τις οποίες θεωρούσε αδύνατες. Την επόμενη εβδομάδα παρουσίασε τα αποτελέσματα στην Πρωσική Ακαδημία.

Αλλά ο Schwarzschild δεν είχε τελειώσει.

Ο Αϊνστάιν δεν πείστηκε

Ξαπλωμένος στο κρεβάτι του νοσοκομείου, ο Schwarzschild συνειδητοποίησε περαιτέρω ότι, εάν η μάζα ενός άστρου συμπιεστεί σε όλο και μικρότερο όγκο, η κοιλάδα του χωροχρόνου γύρω του θα γινόταν όλο και πιο απότομη μέχρι που τελικά θα γινόταν ένας απύθμενος λάκκος από τον οποίο τίποτα, ούτε καν το φως, δεν μπορούσε να ξεφύγει.

Σήμερα, όλοι στον κόσμο γνωρίζουν το όνομα αυτού που είχε ανακαλύψει ο Schwarzschild, αλλά ο όρος «μαύρη τρύπα» δεν θα επινοηθεί για άλλον μισό αιώνα. Έστειλε ξανά τη λύση του στον Αϊνστάιν, ο οποίος την παρουσίασε στο Βερολίνο, αν και δεν πίστευε ότι η φύση θα εφάρμοζε ποτέ μια τέτοια τερατώδη οντότητα.

Την άνοιξη του 1916, ο Schwarzschild μεταφέρθηκε σε νοσοκομείο του Βερολίνου, όπου και πέθανε. Ήταν μόλις 42.

Προχωρήστε γρήγορα στο 1971 και στο κάστρο Herstmonceux, το σπίτι του Βασιλικού Αστεροσκοπείου του Γκρίνουιτς στο Σάσεξ. Ο Πωλ Μέρντιν ήταν ένας νεαρός αστρονόμος με μια νεαρή οικογένεια που είχε ανάγκη από μόνιμη δουλειά. Έπρεπε να κάνει το όνομά του – και είχε ιδέα πώς να το κάνει.

Βοήθεια από το Uhuru

Το κύριο πρόβλημα στην αστρονομία είναι ότι το Σύμπαν είναι μεγάλο. Υπάρχουν δύο τρισεκατομμύρια γαλαξίες, ο καθένας με περίπου 100 δισεκατομμύρια αστέρια. Το να βρεις ένα ενδιαφέρον είναι πιο δύσκολο από το να βρεις έναν ενδιαφέρον κόκκο άμμου ανάμεσα σε όλους τους κόκκους άμμου στις παραλίες της Γης. Ποιο σημάδι θα μπορούσε να αποκαλύψει ότι ένα αστέρι ήταν ασυνήθιστο;

Ο Murdin χτύπησε στις ακτίνες Χ. Τέτοιο φως υψηλής ενέργειας θα εκπέμπεται από ύλη που θερμαίνεται σε εκατομμύρια βαθμούς. Το προηγούμενο έτος, η NASA είχε εκτοξεύσει τον Uhuru, τον πρώτο δορυφόρο ακτίνων Χ, και ο Murdin απέκτησε τον κατάλογο.

Παρατήρησε ότι υπήρχε μια φωτεινή πηγή ακτίνων Χ, που βαφτίστηκε Cygnus X-1, στον αστερισμό του Κύκνου. Το μόνο ασυνήθιστο αστέρι στο πεδίο ήταν ένας μπλε υπεργίγαντας που ονομαζόταν HDE 226868, πολλές φορές τη μάζα του Ήλιου και αντλούσε εκατοντάδες χιλιάδες φορές περισσότερο φως. Το αστέρι δεν θα μπορούσε να είναι η πηγή των ακτίνων Χ – αλλά ίσως περιφερόταν γύρω από κάτι που ήταν.

Η συνάδελφος του Murdin, Louise Webster, μετρούσε τις ταχύτητες των αστεριών, οπότε της ζήτησε να μετρήσει την ταχύτητα του μπλε υπεργίγαντα. Και, σίγουρα, ανακάλυψε ότι περιφερόταν γύρω από έναν αόρατο σύντροφο, μία φορά κάθε 5,6 ημέρες.

Από την ταχύτητα που στροβιλιζόταν ο υπεργίγαντας, αυτός ο σύντροφος έπρεπε να έχει μάζα τουλάχιστον τεσσάρων, και πιθανώς έξι φορές τη μάζα του Ήλιου. Τα μόνα συμπαγή αστέρια που ήταν γνωστά –λευκοί νάνοι και αστέρια νετρονίων, τα οποία ανακαλύφθηκαν από την Jocelyn Bell μόλις τέσσερα χρόνια νωρίτερα– δεν ήταν αρκετά μαζικά. Μόνο ένας υποψήφιος έμεινε:μια μαύρη τρύπα.

Η θεωρία γίνεται πραγματικότητα

Απίστευτα, η τερατώδης, εφιαλτική οντότητα που είχε προβλεφθεί από έναν άνδρα που πέθαινε στο κρεβάτι σε ένα νοσοκομείο πεδίου στο Ανατολικό Μέτωπο μισό αιώνα νωρίτερα, υπήρχε στην πραγματικότητα στον πραγματικό κόσμο! Ήταν ύλη που σχίστηκε από τον μπλε υπεργίγαντα και θερμάνθηκε σε πυράκτωση καθώς αναρροφήθηκε στη μαύρη τρύπα που δημιουργούσε τις ακτίνες Χ.

Ο Murdin και ο Webster έγραψαν μια κοινή εργασία στο περιοδικό Nature . Ο Murdin πήρε τη δουλειά του πλήρους απασχόλησης και ένα νέο σπίτι και έγινε ο πρώτος άνθρωπος στην ιστορία που πληρώθηκε ποτέ το στεγαστικό του δάνειο από μια μαύρη τρύπα.

• Αυτό το άρθρο δημοσιεύτηκε αρχικά στο BBC Science Focus τον Μάιο του 2019 – εγγραφείτε εδώ

Ακολουθήστε το Science Focus στο Twitter, το Facebook, το Instagram και Flipboard