Czytaj dalej

Komisja Noblowska po raz drugi z rzędu uhonorowała badaczy kosmosu. Tym razem nagroda powędrowała do Rogera Penrose’a, Andrei Ghez i Reinharda Genzela – uczonych, którzy poszerzyli naszą wiedzę na temat czarnych dziur.

Bóg brzydzi się nagimi osobliwościami.

Roger Penrose

Po tym, gdy w ubiegłym roku Nagroda Nobla w dzie­dzi­nie fizyki powę­dro­wała do kosmo­loga (Jim Peebles) i astro­no­mów (Michael Mayor i Didier Queloz), nie liczyłem na prędką powtórkę z rozrywki. A jednak. Minęło dwa­na­ście miesięcy, a Sztok­holm posta­no­wił pozostać w obrębie badań kosmicz­nych, po raz kolejny doce­nia­jąc teo­re­tyka i parę obserwatorów. 

Może to nad­in­ter­pre­ta­cja, ale odnoszę wrażenie, że nie bez wpływu na wybór lau­re­atów pozo­staje dzia­łal­ność ambit­nego projektu Tele­skopu Hory­zontu Zdarzeń i pio­nier­skie uchwy­ce­nie hory­zontu zdarzeń w M87. Sam EHT raczej nie doczeka się wielu laurów, bowiem trudno byłoby wyse­lek­cjo­no­wać kon­kretne nazwiska, spośród setek naukow­ców sku­pio­nych wokół kil­ku­na­stu radio­te­le­sko­pów na całym globie. Sądzę jednak, że nowe obser­wa­cje okazały się niezłym pre­tek­stem dla doce­nie­nia wszyst­kich dotych­cza­so­wych prób zro­zu­mie­nia natury naj­ma­syw­niej­szych obiektów we wszechświecie.

Nie ma w tym nic złego. Zwłasz­cza, że tego­roczne Noble trafiły do praw­dzi­wych zna­ko­mi­to­ści, od lat dosko­nale znanych i sza­no­wa­nych w całym świecie fizyki.

Osobliwy teoretyk

Praw­do­po­dob­nie naj­więk­szą roz­po­zna­wal­no­ścią z całej trójki cieszy się Roger Penrose. Teoretyk z Cam­bridge, dłu­go­letni przy­ja­ciel i partner Stephena Hawkinga, uczony, który kre­atyw­nymi pomy­słami mógłby obdzie­lić dzie­się­ciu kolegów po fachu.

Roger Penrose
Sir Roger Penrose

Ogra­ni­cza­jąc się do samej astro­fi­zyki, wypada w tym miejscu wspo­mnieć przy­naj­mniej o trzech osią­gnię­ciach Pen­ro­se’a. Po pierwsze, Bry­tyj­czyk zajmował się rotacją czarnych dziur i towa­rzy­szącą im energią ruchu wirowego. Prze­wi­dział, że wleczona cza­so­prze­strzeń tworzy “tornada” pro­wa­dzące do spek­ta­ku­lar­nych efektów wpły­wa­ją­cych na całą kosmiczną okolicę. Po drugie, to Penrose jako pierwszy podjął się arcy­trud­nej misji ujęcia w mate­ma­tycz­nych for­mu­łach narodzin oso­bli­wo­ści, w sercu umie­ra­ją­cej gwiazdy o odpo­wied­niej masie. Po trzecie, doświad­czony uczony ukuł hipotezę kosmicz­nej cenzury. Zgodnie z nią, we współ­cze­snym wszech­świe­cie nie ma prawa istnieć naga oso­bli­wość, tj. super­gę­sty punkt w cza­so­prze­strzeni pozba­wiony osłony w formie hory­zontu zdarzeń. Oznacza to jed­no­cze­śnie, że zewnętrzny obser­wa­tor nigdy nie zbada wnętrz­no­ści czarnej dziury.

Penrose udo­wod­nił, iż nie­moż­ność unik­nię­cia oso­bli­wo­ści wewnątrz czarnej dziury jest powią­zana z tym, że nie można odwzo­ro­wać powierzchni Ziemi na mapę w taki sposób, aby wszyst­kie punkty sąsia­du­jące ze sobą na Ziemi znalazły się obok siebie na mapie. Rze­czy­wi­ście, tak bliskie sobie obszary jak Przy­lą­dek Dież­niewa i Alaska często znajdują się na prze­ciw­nych krańcach mapy. Penrose ele­gancko spro­wa­dził swój dowód do tego znanego faktu.

Igor Nowikow

Jednak, choć Komisja for­mal­nie ozłociła Pen­ro­se’a za wkład w zro­zu­mie­nie rela­ty­wi­stycz­nych mecha­ni­zmów sto­ją­cych za czarnymi dziurami, warto pamiętać, że to tylko cząstka jego bogatych zain­te­re­so­wań. Jeżeli zaj­rzy­cie do sko­ro­wi­dzu losowej książki poświę­co­nej pro­ble­mom współ­cze­snej fizyki, praw­do­po­dob­nie bardzo szybko znaj­dzie­cie nazwisko nowego noblisty. Bry­tyj­czyk wymier­nie wpłynął na postrze­ga­nie wiel­kiego wybuchu (ostatnio popu­la­ry­zuje model wszech­świata oscy­la­cyj­nego), działa na polu poszu­ki­wań teorii wszyst­kiego (jest znanym kry­ty­kiem teorii strun), a także dorzucił swoje 3 pensy do mecha­niki kwan­to­wej (roz­wi­ja­jąc inter­pre­ta­cję obiek­tyw­nego kolapsu). Jakby tego było mało, od lat wspiera badania inter­dy­scy­pli­narne (zwłasz­cza doty­czące świa­do­mo­ści oraz infor­ma­cji) i czynnie popu­la­ry­zuje naukę regu­lar­nie wydając nowe książki.

Na tropie potwora

Drugą połową tego­rocz­nego Nobla podzie­lili się astro­no­mo­wie – Andrea Ghez oraz Reinhard Genzel. Ame­ry­kanka i Niemiec stali na czele zespołów badaw­czych, które na początku tego stulecia, jako pierwsze zajrzały w zatło­czone centrum naszej galak­tyki. Obser­wa­cje miały kon­kretny cel: spraw­dze­nie czy w samym środku Drogi Mlecznej kryje się super­ma­sywna czarna dziura. Naukowcy już wcze­śniej zdobyli dowody na ist­nie­nie “zwykłych” czarnych dziur (obser­wa­cje Cygnusa X‑1), jednak tym razem chodziło o zupełnie inną kate­go­rię wagową. Hipotezy zakła­dały, że rdzeniem i gra­wi­ta­cyj­nym sil­ni­kiem każdej galak­tyki jest obiekt o masie miliony, a czasem nawet miliardy razy większej od Słońca.

Andrea Ghez i Reinhard Genzel
Andrea Ghez i Reinhard Genzel.

Zdobycie dowodów na ist­nie­nie czegoś tak osza­ła­mia­ją­cego w centrum Drogi Mlecznej, zawdzię­czamy przy­ja­ciel­skiej rywa­li­za­cji ekipy mona­chij­skiego Insty­tutu im. Maxa Plancka pod wodzą Genzela, z kali­for­nij­skim zespołem kie­ro­wa­nym przez Ghez. Mimo pewnego opóź­nie­nia prac względem Niemców, na pierwsze wia­ry­godne ślady cen­tral­nej czarnej dziury wpadli Ame­ry­ka­nie. Przewagę przy­nio­sły im oddane wtedy do użytku – dziś uważane niemal za kultowe – hawaj­skie Tele­skopy Kecka. Ich 10-metrowe zwier­cia­dła wraz z zasto­so­wa­niem optyki adap­ta­tyw­nej (czysz­czą­cej obraz z szumów atmos­fe­rycz­nych), pozwo­liły Andrei Ghez ujrzeć samo śród­mie­ście Drogi Mlecznej. Oczom astro­no­mów ukazały się jasne plamki, w rze­czy­wi­sto­ści będące setkami gwiazd upa­ko­wa­nych ciasno na prze­strzeni kilku lat świetlnych.

Centrum Drogi Mlecznej
Gwiazdy centrum Drogi Mlecznej, wraz z nie­sa­mo­witą S2.

Moni­to­ring tego obszaru trwał przez kilka lat, co pozwo­liło na analizę ruchu oko­licz­nych obiektów. Cier­pli­wość popła­ciła, bo naukowcy dostali nawet więcej niż mogli sobie życzyć. Jak widzicie na powyż­szym nagraniu, wszyscy loka­to­rzy galak­tycz­nego centrum, tańczą pod gra­wi­ta­cyjne dyktando czegoś potęż­nego i nie­wi­docz­nego. Szcze­gól­nie dra­ma­tyczny ruch wykonała gwiazda ozna­czona bez spe­cjal­nej czułości jako S2. Poru­sza­jąc się po wydłu­żo­nej orbicie, w momencie zbli­że­nia do tajem­ni­czego źródła gra­wi­ta­cji, S2 nagle nabrała pręd­ko­ści rzędu 5000 km/s. Żebyśmy mieli świa­do­mość o czym mowa, przy­po­mi­nam, że Ziemia sunie po orbicie oko­ło­sło­necz­nej w tempie 30 km/s. Tym­cza­sem gwiazda 15 razy masyw­niej­sza od naszego Słońca na moment przy­śpie­szyła do 1,6% pręd­ko­ści światła, pchnięta przez coś czego nie widać. To jedna z naj­bar­dziej wido­wi­sko­wych obser­wa­cji w dziejach nowo­cze­snej astronomii.

Tym sposobem zespoły Ghez oraz Genzela uzyskały wszyst­kie potrzebne dane. Znając przy­bli­żone gabaryty gwiazd, para­me­try ich ruchu oraz odle­gło­ści, wstępnie osza­co­wano masę cen­tral­nego obiektu na 2,6 do 3,7 miliona Słońc. Zgodnie z hipo­te­zami, Drogą Mleczną okazał się zarzą­dzać tłusty i apo­dyk­tyczny dyrygent, ozna­czany jako Sagit­ta­rius A*.

Więcej czarnych dziur

Czy wysiłki pro­wa­dzące do zgłę­bie­nia tajemnic czarnych dziur zasłu­gują na powszechny rozgłos i naj­wyż­sze uznanie? W prze­szło­ści można było mieć wąt­pli­wo­ści. Długo uważano, że tego rodzaju obiekty stanowią kosmiczną cie­ka­wostkę; temat inte­re­su­jący dla autorów fan­ta­styki i roz­ka­pry­szo­nych teo­re­ty­ków, jednak niezbyt istotny z punktu widzenia nauki jako takiej.

Obecnie nie tylko jesteśmy pewni, że czarne dziury istnieją, ale wiemy, że stanowią pospo­lity element kosmicz­nego kra­jo­brazu. Jedne są niewiele masyw­niej­sze od zwykłych gwiazd i mogą czaić się tuż za rogiem, inne trzymają w ryzach całe galak­tyki i miotają wyso­ko­ener­ge­tycz­nymi dżetami. Zro­zu­mie­nie ich natury to klucz do zro­zu­mie­nia dzia­ła­nia całego wszechświata. 

Dlatego coś mi mówi, że nie jest to ostatnia Nagroda Nobla przy­znana za tego typu badania.

Literatura uzupełniająca:
R. Penrose, Makroświat, mikroświat i ludzki umysł, przeł. P. Amsterdamski, Warszawa 1997;
R. Penrose, Gravitational Collapse and Space-Time Singularitie, “Physical Review Letters”, styczeń 1965;
C. Scharf, Silniki grawitacji. Jak czarne dziury rządzą galaktykami i gwiazdami, Warszawa 2014;
K. Thorne, Czarne dziury i krzywizny czasu, przeł. D. Czyżewska, Warszawa 2004;
I. Nowikow, Czarne dziury i wszechświat, przeł. S. Bajtlik, Warszawa 1995.
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.