โนเบล 2020: หลุมดำ จากทฤษฎีสู่การพิสูจน์

รางวัลครึ่งหนึ่งมอบให้ โรเจอร์ เพนโรส "สำหรับการค้นพบว่าการเกิดหลุมดำเป็นการทำนายที่หนักแน่นของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป" อีกครึ่งหนึ่งมอบร่วมกันให้ ไรน์ฮาร์ด เกนเซล และ แอนเดรีย เกซ "สำหรับการค้นพบวัตถุอัดแน่นมวลยวดยิ่งที่ใจกลางดาราจักรของเรา"

เพนโรส: หลุมดำหลีกเลี่ยงไม่ได้

ผลเฉลยของชวาร์ซชิลด์ในปี ค.ศ. 1916 บรรยายหลุมดำได้ แต่เป็นกรณีอุดมคติ คือทรงกลมสมบูรณ์ที่ไม่หมุน หลายคนรวมทั้งไอน์สไตน์เองสงสัยว่าในธรรมชาติที่ไม่สมมาตร สสารที่ยุบตัวอาจเฉียดกันไปและเด้งกลับออกมา หลุมดำจึงอาจไม่เกิดขึ้นจริง

ในปี ค.ศ. 1965 เพนโรสนำวิธีทางคณิตศาสตร์แบบใหม่ที่ดูโครงสร้างของกาลอวกาศโดยรวม (โทโพโลยี) มาใช้ และพิสูจน์ว่าเมื่อสสารยุบตัวจนเกิดพื้นผิวที่แสงทุกทิศถูกบังคับให้เคลื่อนเข้าด้านใน (พื้นผิวที่ถูกกักไว้) ภาวะเอกฐานจะต้องเกิดขึ้นเสมอ ไม่ว่ารูปร่างของการยุบตัวจะไม่สมมาตรเพียงใด ทฤษฎีบทภาวะเอกฐานนี้ ซึ่งต่อมาพัฒนาร่วมกับสตีเฟน ฮอว์คิง ยังนำไปใช้กับจุดเริ่มต้นของเอกภพด้วย ฮอว์คิงเสียชีวิตในปี ค.ศ. 2018 จึงไม่ได้รับรางวัลนี้ เพราะรางวัลโนเบลไม่มอบให้ผู้ที่เสียชีวิตแล้ว

เกนเซลและเกซ: ดาวที่โคจรรอบความว่างเปล่า

สองทีมแข่งกันมาตั้งแต่ต้นคริสต์ทศวรรษ 1990 ทีมของเกนเซลใช้กล้องของหอดูดาวยุโรปซีกใต้ในชิลี ทีมของเกซใช้กล้องเคกขนาด 10 เมตรในฮาวาย ทั้งคู่ต้องเอาชนะสองอุปสรรคใหญ่ คือฝุ่นที่บังใจกลางดาราจักร (แก้ด้วยการสังเกตในอินฟราเรด) และบรรยากาศที่ทำให้ภาพพร่ามัว (แก้ด้วยเทคนิคถ่ายภาพเร็วจำนวนมาก และต่อมาด้วยระบบทัศนศาสตร์ปรับตัว)

ทั้งสองทีมติดตามตำแหน่งของดาวนับสิบดวงรอบใจกลางดาราจักรปีแล้วปีเล่า และพบว่าดาวเหล่านั้นโคจรเป็นวงรีรอบจุดเดียวกันที่ไม่มีอะไรมองเห็นได้ ดาว S2 โคจรครบหนึ่งรอบในราว 16 ปี ซึ่งบอกมวลของวัตถุใจกลางได้ราวสี่ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ ในพื้นที่ที่เล็กกว่าระบบสุริยะ ไม่มีคำอธิบายอื่นนอกจากหลุมดำมวลยวดยิ่ง ผลของทั้งสองทีมที่ทำงานแยกกันสอดคล้องกันเป็นอย่างดี

แอนเดรีย เกซ เป็นผู้หญิงคนที่สี่ที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ต่อจาก มารี กูรี มารีอา เกิพเพิร์ต-เมเยอร์ และ ดอนนา สตริกแลนด์ สองปีต่อมา ในปี ค.ศ. 2022 กล้อง Event Horizon Telescope เผยภาพแรกของเงาของหลุมดำนี้