Na pytanie odpowiada dr hab. Adam Rutkowski, prof. UG:
Udowodnienie istnienia czarnych dziur opiera się na kombinacji teorii, obserwacji i pośrednich dowodów. Oto kluczowe kroki, które doprowadziły do zaakceptowania istnienia czarnych dziur w społeczności naukowej:
1. Teoria Ogólnej Teorii Względności Einsteina
Albert Einstein przedstawił ogólną teorię względności w 1915 roku, która przewidziała istnienie bardzo masywnych obiektów, które mogą zakrzywiać przestrzeń i czas do tego stopnia, że nawet światło nie może ich opuścić. Karl Schwarzschild znalazł pierwsze dokładne rozwiązanie równań Einsteina dla punktu masy, co doprowadziło do koncepcji „promienia Schwarzschilda” i horyzontu zdarzeń.
2. Odkrycie Cygnus X-1
W latach 60. XX wieku astronomowie odkryli silne źródła promieniowania rentgenowskiego w konstelacji Łabędzia (Cygnus). Jednym z tych źródeł było Cygnus X-1, które zostało zidentyfikowane jako system podwójny składający się z gwiazdy widzialnej i niewidzialnego towarzysza. Analizy prędkości orbitalnych wskazywały, że niewidzialny towarzysz musi mieć masę wystarczającą do bycia czarną dziurą.
3. Obserwacje Gwiazd Okrążających Niewidzialne Masywne Obiekty
Obserwacje ruchów gwiazd wokół niewidzialnych masywnych obiektów w centrach galaktyk, takich jak gwiazdy wokół centrum naszej Drogi Mlecznej, wskazują na obecność supermasywnych czarnych dziur. Andrea Ghez i Reinhard Genzel otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2020 roku za ich prace nad obserwacjami ruchów gwiazd wokół supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej.
4. Promieniowanie Rentgenowskie i Dyski Akrecyjne
Czarne dziury mogą być wykrywane pośrednio przez obserwacje promieniowania rentgenowskiego emitowanego przez materię, która opada na czarną dziurę i tworzy dysk akrecyjny. Wysokie temperatury i intensywne promieniowanie rentgenowskie z tych dysków są charakterystycznymi sygnałami obecności czarnych dziur.
5. Fale Grawitacyjne
W 2015 roku detektory LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) po raz pierwszy zarejestrowały fale grawitacyjne pochodzące z zderzenia dwóch czarnych dziur. To odkrycie dostarczyło bezpośredniego dowodu na istnienie czarnych dziur i potwierdziło przewidywania ogólnej teorii względności. Detekcja fal grawitacyjnych dostarcza dowodów na istnienie czarnych dziur o różnych masach i w różnych scenariuszach astrofizycznych.
6. Pierwsze Zdjęcie Horyzontu Zdarzeń
W 2019 roku, dzięki międzynarodowej współpracy teleskopów Event Horizon Telescope (EHT), udało się uzyskać pierwsze bezpośrednie zdjęcie cienia czarnej dziury w centrum galaktyki M87. Zdjęcie to pokazało charakterystyczny pierścień światła otaczający cień czarnej dziury, co jest zgodne z przewidywaniami teoretycznymi.
Podsumowanie
Dowody na istnienie czarnych dziur wynikają z kombinacji teoretycznych przewidywań ogólnej teorii względności Einsteina oraz wielu niezależnych obserwacji astronomicznych. Metody pośrednie, takie jak analiza ruchów gwiazd, promieniowanie rentgenowskie, detekcja fal grawitacyjnych oraz bezpośrednie obrazowanie, składają się na solidny zestaw dowodów potwierdzających istnienie tych fascynujących obiektów.
dr hab. Adam Rutkowski, prof. UG
