Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nawigacja okruszkowa Nawigacja okruszkowa

Nawigacja Nawigacja

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nobel z fizyki 2020: Czarne dziury i tajemnicze centrum Drogi Mlecznej

Nobel z fizyki 2020: Czarne dziury i tajemnicze centrum Drogi Mlecznej

Tegoroczną Nagroda Nobla z dziedziny fizyki przyznano Rogerowi Penrose'owi za potwierdzenie zgodności teorii względności z formowaniem się czarnych dziur oraz Reinhardowi Genzlowi i Andrei Ghez za odkrycie supermasywnego kompaktowego obiektu w centrum naszej galaktyki. O komentarz w kwestii decyzji Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk poprosiliśmy dr Elżbietę Kuligowską z Obserwatorium Astronomicznego UJ, prof. Edwarda Malca kierującego Zakładem Teorii Względności i Astrofizyki oraz dr. hab. Sebastiana Szybkę z Zakładu Astrofizyki Relatywistycznej i Kosmologii.

Dr Elżbieta Kuligowska (Obserwatorium Astronomiczne UJ):

Wiemy już, kto otrzymał tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki – to Roger Penrose, Reinhard Genzel i Andrea Ghez, czyli kosmolog i dwoje astronomów. Szczegółowe nazewnictwo nie jest tu zresztą bardzo istotne, bowiem współczesny astronom musi być po części i fizykiem, a kosmolog to fizyk, który – jak nazwa wskazuje – zajmuje się kosmologią, czyli nauką o Kosmosie.

Przypomnijmy – nie jest to pierwszy Nobel z fizyki przyznany naukowcom tytułującym się jako astronomowie. Nie trzeba daleko szukać – także rok temu laureatami Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki zostali odkrywcy pierwszej planety pozasłonecznej krążącej wokół gwiazdy podobnej do Słońca, Michel Mayor i Didier Queloz, oraz słynny kosmolog James Peebles.

Tegoroczna Nagroda Nobla może być też rozumiana jako ukłon zarówno w stronę klasycznych astronomów obserwujących niebo z pomocą różnego typu teleskopów, jak i teoretyków – z matematykami włącznie.

Tegoroczna nagroda dotyczy natomiast badań nad czarnymi dziurami. Co ciekawe, przyznana została zarówno za badania teoretyczne (Penrose), jak i typowo obserwacyjne (Genzel i Ghez). Czarne dziury to w rzeczywistości wciąż jedne z najbardziej egzotycznych obiektów we Wszechświecie. Jeszcze kilkadziesiąt lat temu były ciałami niebieskimi przewidywanymi jedynie na gruncie Ogólnej Teorii Względności Alberta Einsteina. Pomysł ten nie jest nowy, bowiem możliwość istnienia obiektów o polu grawitacyjnym tak silnym, że nie pozwala ono nawet na ucieczkę promieni światła, rozważano już w XVIII wieku. Pisał o nich już matematyk i fizyk, Pierre Simon de Laplace. Na kartach ich historii (poza oczywiście Einsteinem) zapisał się również Karl Schwarzschild, który jako pierwszy opisał rozwiązanie równania ogólnej teorii względności, które opisywało „matematyczną” osobliwość – czarną dziurę (był to rok 1916!). Mniej więcej do połowy XX wieku obiekty te rozumiano jak twory czysto teoretyczne, reprezentujące takie szczególne obszary czasoprzestrzeni, z których nic – łącznie ze światłem i innymi formami promieniowania elektromagnetycznego – nie może uciec.

W latach sześćdziesiątych okazało się jednak, że te osobliwe twory mogą, a nawet powinny istnieć. Wykryto wówczas między innymi inne bardzo zwarte ciała niebieskie, gwiazdy neutronowe. Są to bardzo gęste gwiazdy formujące się między innymi w wyniku zapadania się (kolapsu) grawitacyjnego "normalnych” gwiazd o dużych masach. Co ciekawe, także ich istnienie kilka dekad wcześniej przewidziano teoretycznie. A skoro je zaobserwowano, oznaczało to, że obiekty powstałe w wyniku kolapsu grawitacyjnego faktycznie mogą istnieć w rzeczywistości - również czarne dziury.

Czarne dziury z definicji są czarne – pochłaniają nawet światło. Przez to ich ewentualna detekcja nie była przez pewien czas sprawą prostą. Na szczęście o ich obecności można również wnioskować na podstawie ich oddziaływania z otaczającą materią – podobnie jak w przypadku jeszcze bardziej tajemniczej ciemnej materii, której z czarnymi dziurami nie należy mylić. Co więcej, okazało się, że opadająca na czarną dziurę materia może silnie rozpędzać się i rozgrzewać, w efekcie emitując przez długi czas światło, promienie rentgenowskie i inne rodzaj promieniowania, możliwe do zarejestrowania przez teleskopy. Ta opadająca materia często formuje tak zwany dysk akrecyjny, w którym emisja promieniowania zachodzi między innymi na skutek tarcia. Warto dodać, że czarne dziury mają silnie zróżnicowane masy – od mas typowo gwiazdowych (czarne dziury gwiazdowe) aż po wielokrotność 100 000 mas Słońca (supermasywne czarne dziury rezydujące w centrach galaktyk). Wciąż przedmiotem debaty i badań jest też istnienie obiektów o masach pośrednich.

Pierwsze bezpośrednie detekcje czarny dziur datują się dopiero na początek XXI wieku. W szczególności w roku 2004 pojawiły się prace donoszące o odkryciu czarnej dziury leżącej w centrum naszej Galaktyki, Drogi Mlecznej. Zatem wszystkie jej gwiazdy, w tym Słońce, krążą wokół obszaru zawierającego bardzo masywną czarną dziurę. Na pierwsze „zdjęcie” czarnej dziury trzeba było poczekać aż do roku 2019. Termin „zdjęcie” nie jest tu do końca adekwatny, bowiem obraz ten wykonano z pomocą dedykowanej, światowej sieci radioteleskopów, noszącej zresztą nazwę Teleskop Horyzontu Zdarzeń. Co ciekawe, nie zobaczymy na nim centrum Drogi Mlecznej, a inną centralną supermasywną czarną dziurę, leżącą w sercu galaktyki M87.

Choć wiek XXI kojarzy się nam głównie z obserwacjami tych obiektów, nie oznacza to wcale, że czarne dziury przestały nagle być przedmiotem intensywnych badań teoretyków. Wręcz przeciwnie, a rozwój metod obliczeniowych i superkomputerów od kilku dekad umożliwia dodatkowo ich badania z pomocą wysoce użytecznych symulacji komputerowych. W dziedzinie teorii jednym z niekwestionowanych liderów badań nad czarnymi dziurami był przez wiele lat właśnie sir Roger Penrose, który jeszcze w latach sześćdziesiątych wykazał między innymi, że ogólna teoria względności w naturalny i bezpośredni sposób wymusza powstawanie czarnych dziur. To bardzo ważny wniosek. W swych badaniach naukowiec od wielu lat stosuje zaawansowane metody matematyczne. Warto nadmienić, że sam Einstein – twórca OTW – nie wierzył, że czarne dziury naprawdę istnieją. Nobel dla Penrose’a dotyczy więc w pewnym zakresie całości jego pracy naukowej. Jego przełomowy artykuł z 1965 r. jest wciąż uważany za najważniejszy wkład w ogólną teorię względności od czasów Einsteina.

Z kolei Reinhard Genzel i Andrea Ghez odkryli, że orbitami gwiazd w centrum naszej Galaktyki rzeczywiście rządzi niewidzialny, niezwykle ciężki obiekt, po czym zbadali go obserwacyjnie. Supermasywna czarna dziura jest jedynym znanym nam obecnie wyjaśnieniem tego faktu obserwacyjnego. Genzel i Ghez niezależnie przewodzą zespołowi astronomów, które już od wczesnych lat 90 XX wieku skupiają się na regionie leżącym w centrum naszej Galaktyki. Orbity najjaśniejszych gwiazd krążących najbliżej środka Drogi Mlecznej zostały zaobserwowane i zmapowane z dużą precyzją. Pomiary obu grup badawczych zgadzają się ze sobą – w obu przypadkach znaleziono niezwykle ciężki, niewidzialny obiekt, który ciągnie za sobą istną plątaninę szybko poruszających się gwiazd. W obszarze nie większym niż nasz Układ Słoneczny upakowanych jest tam najwyraźniej masa odpowiadająca około czterem milionom mas Słońca.

Tegoroczna Nagroda Nobla może być też rozumiana jako ukłon zarówno w stronę klasycznych astronomów obserwujących niebo z pomocą różnego typu teleskopów, jak i teoretyków – z matematykami włącznie. Pokazuje ważne zależności między teorią a obserwacjami oraz konieczność współpracy pomiędzy zespołami naukowymi reprezentującymi obie te metody badawcze, bowiem żadna z nich nie jest w żaden sposób bardziej prestiżowa, bardziej istotna czy w inny jeszcze sposób wyróżniona.

Odkrycia tegorocznych laureatów [Nagrody Nobla] otworzyły nowe możliwości w zakresie badań zwartych i supermasywnych obiektów. Ale te egzotyczne ciała wciąż stawiają przed nami wiele pytań, które aż proszą się o odpowiedzi, i motywują nas do dalszych badań. To nie tylko pytania o ich wewnętrzną strukturę, ale i o to, jak przetestować teorię grawitacji w tak ekstremalnych warunkach, w bezpośrednim sąsiedztwie czarnej dziury – podsumowuje David Haviland, przewodniczący Nobel Committee for Physics.

Dodajmy na koniec, że czarnymi dziurami zajmujemy się intensywnie także na naszej uczelni - i to w bardzo wielu aspektach. W Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Jagiellońskiego bada się je m. in. w Zakładzie Astrofizyki Relatywistycznej i Kosmologii (rozwiązania OTW), Zakładzie Astrofizyki Wysokich Energii (ewolucja kosmologiczna supermasywnych czarnych dziur i galaktyk aktywnych) i Zakładzie Astrofizyki Gwiazdowej i Pozagalaktycznej (obserwacje aktywnych jąder galaktycznych, w tym słynnego układu dwóch czarnych dziur OJ 287). Tematyka czarnych dziur jest też przedmiotem zainteresowania naukowców z Zakładu Teorii Względności i Astrofizyki UJ.

 

Dr hab. Sebastian Szybka (Zakład Astrofizyki Relatywistycznej i Kosmologii):

W roku 2020 Nagrodę Nobla z fizyki przyznano za odkrycia dotyczące czarnych dziur. Połowę nagrody otrzymał fizyk teoretyk Roger Penrose za wykazanie, iż powstawanie czarnych dziur jest naturalnym przewidywaniem teorii grawitacji Einsteina. Druga połowa nagrody została rozdzielona pomiędzy astronomów: Reinharda Genzela oraz Andreę Ghez. Kierowane przez nich zespoły odkryły, iż w centrum naszej galaktyki znajduje się bardzo masywny zwarty obiekt. W ten sposób przewidywania teoretyczne, co do istnienia czarnych dziur, znalazły swoje potwierdzenie w faktach obserwacyjnych.

Czarna dziura to obszar czasoprzestrzeni do którego można się dostać z zewnątrz i którego nie można opuścić. Granica tego obszaru zwana jest horyzontem zdarzeń. Wewnątrz czarnej dziury istnieje osobliwość --- brzeg czasoprzestrzeni na którym teoria Einsteina załamuje się.

Badania teoretyczne Rogera Penrose'a i obserwacje prowadzone przez Reinharda Genzela oraz Andreę Ghez uzupełniają się wzajemnie. Dzięki nim czarne dziury awansowały do rangi rzeczywistych obiektów astronomicznych.

Chociaż najprostsze rozwiązanie równań Einsteina opisujące czarną dziurę zostało znalezione przez Karla Schwarzschilda już w roku 1916, to przez dziesięciolecia natura tego rozwiązania pozostawała niezrozumiana. Wielu fizyków, w tym Albert Einstein, uważało czasoprzestrzeń Schwarzschilda wyłącznie za matematyczną ciekawostkę. Przypuszczano, że jej niezwykłe właściwości są artefaktami symetrii sferycznej, która przecież nigdy nie jest dokładnie realizowana w przyrodzie.

W latach sześćdziesiątych dwudziestego wieku Roger Penrose stworzył szereg matematycznych narzędzi, które umożliwiły opis horyzontu zdarzeń i procesu formowania się czarnej dziury bez odwoływania się do nierealistycznych upraszczających założeń, takich jak symetria sferyczna. W roku 1965 Roger Penrose wykazał, iż osobliwości są immanentną cechą czarnych dziur. Jego badania zapoczątkowały, tak zwany, ,,złoty okres" teorii grawitacji Einsteina. Dzięki Rogerowi Penrosowi wiemy, iż czarne dziury mogą powstawać w procesach rozpoczynających się w naturalny sposób.

Obecnie istnieje wiele obserwacji astronomicznych potwierdzających poprawność teorii grawitacji Einsteina, a w tym, jej najbardziej spektakularnego przewidywania --- istnienia czarnych dziur. Jednym z najważniejszych dowodów na istnienie tych egzotycznych obiektów, pozostają obserwacje dokonane przez dwa zespoły pod przewodnictwem Reinharda Genzela i Andrei Ghez. Grupy te, za pomocą niezwykle precyzyjnych obserwacji submilimetrowych i podczerwonych, przez wiele lat, począwszy od wczesnych lat dziewięćdziesiątych, analizowały trajektorie gwiazd w centrum naszej galaktyki. Okazało się, iż gwiazdy poruszają się w taki sposób, jak gdyby okrążały zwarty, ciemny obiekt o masie rzędu czterech milionów Słońc. Ta charakterystyka idealnie pasuje do supermasywnej czarnej dziury. Współczesna fizyka nie daje nam tutaj żadnej alternatywy.

Badania teoretyczne Rogera Penrosa i obserwacje prowadzone przez Reinharda Genzela oraz Andreę Ghez uzupełniają się wzajemnie. Dzięki nim czarne dziury awansowały do rangi rzeczywistych obiektów astronomicznych. Ten niezwykły fakt został doceniony przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk.

Przy okazji Nagrody Nobla dla Rogera Penrosa warto wspomnieć, iż jego wpływ na współczesną naukę nie ogranicza się do osiągnięć za które został wyróżniony. Roger Penrose jest autorem co najmniej kilu niezwykle trafnych hipotez, które ukształtowały badania teorii grawitacji na wiele dziesięcioleci. W swoich rozważaniach często wychodzi poza ramy wąskiej specjalizacji --- związek grawitacji z mechaniką kwantową, teoria twistorów, słynny matematyczny parkietaż Penrose'a, twierdzenie Gödla a ludzka świadomości. Roger Penrose jest członkiem honorowym Polskiego Towarzystwa Relatywistycznego. Wielokrotnie odwiedzał Kraków na zaproszenie krakowskich badaczy.

Roger Penrose urodził się w roku 1931. Od roku 1973 jest związany z Uniwersytetem Oksfordzkim. Reinhard Genzel urodził się w roku 1952. Jego kariera naukowa związana jest głównie z Instytutem Maxa Plancka w Garching oraz Uniwersytetem Kalifornijskim, Berkeley. Andrea Ghez urodziła się w roku 1965 i pracuje na Uniwersytecie Kalifornijskim, Los Angeles.

Prof. Edward Malec (Zakład Teorii Względności i Astrofizyki):

Roger Penrose urodził się w 1931 roku, jest emerytowanym profesorem Uniwersytetu w Oksfordzie. Zacznę od konstatacji, że przypisanie Rogerowi Penrosowi odkrycia, iż powstawanie czarnych dziur jest solidnym przewidywaniem ogólnej teorii względności, jest pewnym uproszczeniem, które równocześnie niezupełnie oddaje jego znaczenie w rozwoju ogólnej teorii względności. 

Na przełomie lat 1950-tych i 1960-tych badał on fale grawitacyjne. Jego wyniki były na tyle znaczące, że mógłby on całkiem zasłużenie otrzymać nagrodę Nobla kilka lat temu, po odkryciu fal grawitacyjnych. W połowie lat 1960-tych Penrose pokazał pewnego rodzaju niekompletność ogólnej teorii względności – argumenty natury topologiczno-różniczkowej pokazały istnienie osobliwości. Można było interpretować te wyniki jako wskazanie, że powstawanie czarnych dziur jest czymś typowym, w silnie zakrzywionych czasoprzestrzeniach. W 1969 roku sformułował on tzw. hipotezę cenzury kosmicznej, zgodnie z którą te niewygodne osobliwości są schowane we wnętrzu czarnych dziur. Kilka lat później zaproponował on nierówność, której przypisano później jego nazwisko, dla przetestowania hipotezy cenzury kosmicznej. Nierówność wiąże ze sobą masę czasoprzestrzeni i pole powierzchni tak zwanego horyzontu pozornego. Została ona dowiedziona w bardzo specjalnym przypadku – tzw. riemannowskim - przez wybitnych matematyków Huiskena i Ilmanena, ale w ogólności ciągle jest wyzwaniem  i stanowi inspirację do dalszych badań.
Nie ma przesady w stwierdzeniu, moim zdaniem, że Roger Penrose nakreślił ramy rozwoju klasycznej i matematycznej teorii grawitacji w ostatnich kilkudziesięciu latach. Jego zainteresowania naukowe są zresztą szersze. Duże zainteresowanie szeroko pojętego środowiska naukowego wywołują jego książki, zwłaszcza „The Emperors New Mind”. 

(...) przypisanie Rogerowi Penrose'owi odkrycia, iż powstawanie czarnych dziur jest solidnym przewidywaniem ogólnej teorii względności, jest pewnym uproszczeniem, które równocześnie niezupełnie oddaje jego znaczenie w rozwoju ogólnej teorii względności.

Warto podkreślić jego związek z polskim środowiskiem naukowym. Roger Penrose jest honorowym członkiem Polskiego Towarzystwa Relatywistycznego. Podkreślam to z tym większą przyjemnością, że przez ostatnie 4 lata byłem przewodniczącym tego Towarzystwa. Wielokrotnie wygłaszał wykłady w Polsce, w tym także w konferencjach organizowanych przez Polskie Towarzystwo Relatywistyczne. Bywał często gościem Uniwersytetu Jagiellońskiego, wygłosił wykład na jednym z seminariów Krakowskiego Towarzystwa Fizycznego w starej siedzibie Instytutu Fizyki UJ na ulicy Reymonta w Krakowie. Wykładał w krakowskim Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych.  

Reinhard Genzel (urodzony w 1952 roku, dyrektor ESA i profesor Uniwersytetu w Berkeley) i Andrea Ghez (profesor UCLA) są astronomami. Od prawie 30 lat obserwują obiekt znany jako Sagittarius A*, bardzo zwarty i masywny. Masę Sagittariusa A* ocenia się na prawie cztery mln mas Słońca. Trzeba powiedzieć, że już 30 lat temu astronomowie widzieli sporo obiektów, które można było interpretować jako czarne dziury, ale przypadek Sagittariusa A* nastręcza najmniej wątpliwości. Trzeba też podkreślić, że obserwacje tego regionu w centrum Drogi Mlecznej, w którym znajduje się domniemana czarna dziura są trudne, a precyzja oszacowania masy stała się możliwa do osiągnięcia dzięki odkryciu gwiezdnych satelitów Sagittariusa A*.

Polecamy również
Nobel 2020 z chemii za nożyczki genetyczne
Teoria kontra obserwacje rozbłysków gamma: narodziny nowych świec standardowych
Wenus pełna życia?
Wykrycie obecności PH3 w górnych warstwach atmosfery Wenus