Nobel za czarne dziury – krótko i nawet przejrzyście

Komisja w Sztokholmie po raz drugi z rzędu uhonorowała badaczy kosmosu. Nobel z fizyki 2020 powędrował 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.

Laureat Nagrody Nobla z fizyki 2020: Roger Penrose
Noblista 2020 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 z Noblem z fizyki 2020
Nobliści 2020 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.
Ciemna materia: Niewidzialne rusztowanie wszechświata Szanuj swój statek kosmiczny Kwantowe Pigułki #9: Co siedzi w centrum Drogi Mlecznej?