Noble i czarne dziury okiem profesora – rozmowa z Jean-Pierrem Lasotą

Jeszcze przez moment pozostańmy w klimatach noblowskich. O komentarz dotyczący wyróżnionych badań nad czarnymi dziurami poprosiłem znakomitego astrofizyka i popularyzatora nauki, profesora Jean-Pierre’a Lasotę.

Niedawno, w ramach współpracy z Copernicus Center Press, zostałem zaproszony do patronowania książce Kłopoty z eureką. O co kłócą się fizycy? Publikacja stanowi obszerny zapis rozmowy pomiędzy dziennikarką marzącą o zgłębieniu tajemnic wszechświata – Karoliną Głowacką – a doświadczonym profesorem fizyki – Jean-Pierrem Lasotą – cierpliwie i zaskakująco dokładnie odpowiadającym na wszelkie pytania i wątpliwości. Jednocześnie, jest to niezobowiązująca kontynuacja całkiem nieźle ocenianej książki Czy Wielki Wybuch był głośny? z 2017 roku. Niezobowiązująca, bo choć autorzy kolejny raz wypełnili niemal czterysta stron dyskusjami o falach grawitacyjnych, początku wszechświata, czarnych dziurach oraz filozofii nauki, odbiór jednej nie wymaga obowiązkowego zapoznania się z drugą. A osobiście (jako posiadacz obu tytułów) uważam, że nowe dzieło zgranego tandemu jest jeszcze ciekawsze i bardziej pouczające od poprzedniego.

Książka "Kłopoty z eureką".
Książka “Kłopoty z eureką. O co kłócą się fizycy?”.

W każdym razie, podczas lektury Kłopotów z fizyką pozazdrościłem pani Karolinie rozmówcy i również poprosiłem emerytowanego profesora o wywiad. Moment idealny, ponieważ ledwie tydzień temu Komitet Noblowski uhonorował nagrodą w dziedzinie fizyki Rogera Penrose’a, Reinharda Genzela i Andreę Ghez – badaczy, którym zawdzięczamy znaczne poszerzenie naszej wiedzy o czarnych dziurach. A któż może lepiej ocenić ten wybór niż Jean-Pierre Lasota – człowiek, który od pół wieku zajmuje się astrofizyką?


Panie Profesorze, Nobel w dziedzinie fizyki za rok 2020 trafił w ręce Penrose’a, Genzela i Ghez. Prawdę mówiąc sam obstawiałem, że nagroda powędruje tym razem do fizyków kwantowych, Aspecta lub Zeilingera. Jakie były Pana typy? Spodziewał się Profesor docenienia badań nad czarnymi dziurami?

Nie. Przyznaję, że w ogóle w tym roku nie zastanawiałem się nad tym, kto dostanie Nobla. Myślałem, że po zeszłorocznej nagrodzie za astronomię, tegoroczna będzie technologiczna, w rodzaju tej za niebieskie LED-y. No i byłem w błędzie. Niezbadane są wyroki Komitetu Noblowskiego. Obym częściej się tak mylił!

Wyróżnienie Penrose’a samo w sobie chyba nie dziwi, ale ciekawi mnie czy to właśnie jego prace dotyczące czarnych dziur były tymi najważniejszymi w jego karierze?

A mnie właśnie dziwi. Penrose oczywiście zasłużył na nagrodę, ale jego prace są tak teoretyczne, że byłem przekonany, że na Nobla nie ma on szansy. Proszę zauważyć, że jest to pierwsza nagroda Nobla za ogólną teorię względności. Sam Einsten nie otrzymał za nią Nobla! Były wprawdzie sztokholmskie wyróżnienia za odkrycia związane z jego teorią grawitacji, ale nigdy za prace teoretyczne.

Wszakże Brytyjczyk maczał palce w naprawdę wielu tematach!

Penrose oczywiście dokonał wielu rzeczy w swoim życiu, ale myślę jednak, że jego wkład do zrozumienia tego, czym są czarne dziury jest rzeczywiście najważniejszy. Komitet Noblowski wspomina o jego artykule z 1965 r. w Physical Review Letters, ale najważniejszy był artykuł w specjalnym wydaniu Nuovo Cimento w 1969, który zawiera syntezę myśli Penrose’a na temat czarnych dziur, między innym opis procesu wydobywania energii obrotu czarnej dziury i zapis hipotezy kosmicznego cenzora, mającego zakrywać nagość osobliwości. No i pojęcie powierzchni złapanej, wprowadzone przez Penrose’a w 1995, było niejako przełomowe.

Kiedyś, Komitet Noblowski przyznawał nagrody “za zasługi dla …, a w szczególności za … “, np. Einstein “za zasługi dla Fizyki Teoretycznej, a w szczególności za efekt fotoelektryczny”, więc ja bym Penrose’owi dał Nobla, za zasługi dla fizyki teoretycznej, a w szczególności za czarne dziury.

Jaka jest najważniejsza rzecz dotycząca działania i struktury czarnych dziur, o jakiej nie mieliśmy pojęcia przed pracami Penrose’a? Twierdzenie o nagich osobliwościach, wspomniane wydobywanie energii, a może coś innego?

No właśnie zabawne jest, że nie ma twierdzenia o nagich osobliwościach, a tylko hipoteza o ich nieobecności we wszechświecie. Nie, dzięki Penrose’owi wiemy, że w najbardziej ogólnych warunkach zgodnych z fizyką potwierdzoną doświadczalnie, wskutek grawitacyjnego zapadania się powstaje osobliwość, która najprawdopodobniej otoczona jest horyzontem zdarzeń. Czyli coś co nazywamy czarną dziurą. Nie brzmi to może imponująco, ale za to dostał Nobla.

Słusznie. Przed Penrosem sądzono, że osobliwości występujące w rozwiązaniach Schwarzschilda i Kerra, są skutkiem ich symetrii. Sferycznej w pierwszym przypadku, osiowej w drugim.

To właśnie jest najciekawsze! Jak wcześniejsi teoretycy wyobrażali sobie konstrukcję czarnej dziury? Czy czarna dziura Karla Schwarzschilda różniła się zasadniczo od czarnej dziury Rogera Penrose’a?

Czarna dziura Schwarzschilda czy Kerra jest, podczas gdy czarna dziura Penrose’a powstaje. Potem wykazano, że wszystkie powstałe już czarne dziury muszą być czarnymi dziurami Kerra (Schwarzschild to nierotujący Kerr). W artykule z 1969 r. Penrose mówi o tym jako o “ogólnej hipotezie Israela”, od nazwiska Wernera Israela, kanadyjskiego fizyka, który udowodnił, że wszystkie nierotujące (i nienaładowane elektrycznie) czarne dziury są czarnymi dziurami Schwarzschilda.

Penrose przez długie lata współpracował ze zmarłym już Stephenem Hawkingiem, rozwijając naszą wiedzę o czarnych dziurach i wielkim wybuchu. Czy gdyby Hawking nadal żył, Pana zdaniem również mógłby liczyć na nagrodę?

Hawking i Penrose napisali wspólnie tylko jeden artykuł ściśle naukowy. Opublikowany w 1970 r., uogólniał ich wcześniejsze twierdzenia o osobliwościach w ogólnej teorii względności. Ale Hawking, niezależnie wniósł ogromny wkład do zrozumienia czarnych dziur. Najbardziej jednak zasłynął z odkrycia promieniowania czarnych dziur. Ale to odkrycie pozostaje odkryciem czysto teoretycznym, bez żadnego potwierdzenia obserwacyjnego, o czym się za często zapomina. Więc za to Nobla by nie dostał. A za resztę? Myślę, że tak.

Przypomnę, że 1988 r. Hawking i Penrose dostali nagrodę Wolfa “za błyskotliwe rozwinięcia ogólnej teorii względności, które pozwoliły im wykazać nieuniknioność kosmologicznej osobliwości i wyjaśnić fizykę czarnych dziur”.

Stephen Hawking i Roger Penrose
Roger Penrose i zmarły w 2018 roku Stephen Hawking.

Przejdźmy do drugiej “połówki” Nobla. Ghez i Genzel poprowadzili zespoły, które zajrzały w samo centrum Drogi Mlecznej. Jak trudna była to operacja, z technicznego punktu widzenia?

Niezwykle. Obserwacje centrum galaktycznego były prowadzone wpierw za pomocą optyki adaptatywnej, która eliminuje zaburzenia obrazu rejestrowanego w teleskopie wywołane przez drgania atmosfery. Jest to jeden ze szczytów technologicznych optyki. Jestem wprawdzie teoretykiem, ale uczestniczyłem w działalnościach organizacyjnych różnych przedsięwzięć instrumentalnych we Francji i byłem świadkiem trudnego rozwoju optyki adaptatywnej. Ale urządzenie tej optyki – NAOS (Nasmyth Adaptive Optics System – przyp. A.) – używane w pierwszej fazie obserwacji przez zespół Genzela, był dziełem astronomów Obserwatoriów w Paryżu i Grenobli. Oni też mają wkład do nagrody Nobla.

Z kolei interferometria w dziedzinie podczerwieni i to przy pomocy ośmiometrowych teleskopów przekracza wszelkie wyobrażenia. Interferometria radiowa, to już prawie rutyna, choć EHT jest wielkim wyczynem. Ale gdy moi francuscy koledzy zaproponowali, by do interferometrii wykorzystywać teleskopy VLT (Bardzo Duży Teleskop – przyp. A), zostali wyśmiani i ukazały się prace wykazujące, że jest to niemożliwe. Mimo wszystko ESO wybudowało cztery teleskopy i interferometr GRAVITY obserwuje niebo od kilku lat. A Amerykanie mają dwa dziesięciometrowe teleskopy Keck. Więc tak: technologia dech zapiera!

Optyka adaptatywna
Użycie optyki adaptatywnej na przykładzie zdjęć Neptuna wykonanych przez VLT.

Tymczasem VLTI dokonał już pierwszych bezpośrednich obserwacji egzoplanet… Aż chciałoby się zażądać laurów dla inżynierów stojących za skokiem technologicznym umożliwiającym współczesne obserwacje! Tym bardziej, że optyka adaptatywna – jak zakładam – przysłużyła się nie tylko badaniom centrum Drogi Mlecznej?

Oczywiście, jest niezbędna we wszystkich wielkich teleskopach. Pamiętajmy że, te skoki technologiczne są dziełem i astronomów, którzy je często wymyślają i inżynierów, które je realizują. To prawda, że o tych ostatnich za mało się mówi i pisze. Dla mnie najwybitniejszą postacią był przedwcześnie zmarły Jean-Marie Mackowski, twórca zwierciadeł zawieszonych w detektorach fal grawitacyjnych LIGO i Virgo. O nich też pisano, że są niemożliwe do wykonania. Ale Jean-Marie był genialnym inżynierem.

Kiedy ogłoszono laureatów przeszło mi przez myśl, że jest to pośredni sposób wyróżnienia dla Teleskopu Horyzontu Zdarzeń, który uwiecznił ślad supermasywnego obiektu w M87. Czy rzeczywiście tamten sukces mógł wpłynąć na decyzję Komitetu?

Nie mogę tego wiedzieć, ale myślę, że tak. Takie pozornie nawet zbliżone sukcesy tworzą przychylną atmosferę dla dziedziny, która je odnosi. Tak jak sukcesy LIGO/Virgo wpłynęły na pozytywną opinię o obserwatorium kosmicznym LISA, choć to trochę tak jakby z sukcesu teleskopu optycznego, by się wyciągało wniosek, że uda się wybudować radioteleskop.

Sądzi Pan Profesor, że sam EHT, może jego pomysłodawcy lub kierownicy zespołów, również doczekają się Nobli?

Czy się doczekają nie wiem. Na razie bym im nie dawał, bo mimo wielkiego huku medialnego, nie pokazali zdjęcia czarnej dziury. Dokonali imponującej technicznie obserwacji, ale która, na razie przynajmniej, wyprodukowała nieostry obrazek niesprzeczny z obecnością czarnej dziury. To było dla centrum galaktyki M87. Co uda im się zrobić dla Sgr A*, zobaczymy.

Czy np. ewentualne zrobienie “zdjęcia” Sagittariusa A* byłoby osiągnięciem godnym takiej nagrody, czy może powinniśmy je traktować tylko jako potwierdzenie czegoś o czym i tak (dzięki Ghez i Genzelowi) wiemy?

Nie sądzę by mogli zrobić coś więcej niż zespoły Genzela i Ghez. EHT jest o wiele bardziej popularne niż GRAVITY, bo zdjęcie, nawet nieostre bardziej przemawia do wyobraźni niż orbity gwiazd, a nawet filmik pokazujący te gwiazdy w ruchu. Mało kto sobie zdaje sobie sprawę z tego, że do opisu ruchu gwiazd wokół Sgr A*, używa się w pierwszym przybliżeniu praw Keplera co pozwala na wyznaczenie masy “supermasywnego obiektu w centrum naszej galaktyki” by zacytować Komitet Noblowski. Technologia XXI w., fizyka XVI w. Tak wygląda „zmiana paradygmatu” w praktyce.

Ale, obserwując cierpliwie najbliższą centrum gwiazdę S2, której okres wynosi 15,2 lat, można już było zmierzyć efekty ogólnej teorii względności wpływające na jej ruch: grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni i obrót orbity, odpowiednik przesunięcia peryhelium Merkurego w naszym układzie słonecznym – pierwszego potwierdzenia słuszności einsteinowskiej teorii grawitacji. Tyle, że Merkury jest widoczny gołym okiem, a S2 jest słabą gwiazdą w odległości 26 tysięcy lat świetlnych. Dodam, że pierwszym, który zwrócił uwagę na możliwość testowania ogólnej teorii względności przez obserwacje gwiazd krążących wokół Sgr A*, był 21 lat temu, Michał Jaroszyński, profesor w Obserwatorium Astronomicznym UW.

Precesja orbity
Obserwacje VLT ujawniły precesję gwiazdy krążącej wokół centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej. Zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności.

Badania te wciąż są kontynuowane. Tak jak Pan Profesor wspomniał, okres orbitalny S2 trwa około 15 lat, co oznacza, że od początku zaawansowanych obserwacji mieliśmy okazję dopiero dwukrotnie zobaczyć bliskie przejście tej gwiazdy w pobliżu Sgr A*. Czy ten obiekt i jego okolica mogą nas czymś jeszcze zaskoczyć?

Nie sądzę. Jestem pewien, że siedzi tam poczciwa czarna dziura a nie żaden obiekt egzotyczny. Zauważy Pan, że czarna dziura nie jest uważana przez astronomów za coś egzotycznego. Z drugiej strony nie rozumiemy tego, co się dzieje z materią rozproszoną w pobliżu Sgr A*, więc tu mogą nas czekać niespodzianki. Ale nie jakieś ogromne.

Gwiazdy tańczące wokół obiektu Sagittarius A*.

Mimo tych wszystkich starań, czarna dziura wciąż stanowi wielką zagadkę. Promieniowanie Hawkinga, hipoteza firewalli, paradoks informacyjny, wreszcie osobliwość – same tajemnicze zjawiska. Który z aspektów działania czarnych dziur jest najciekawszy z punktu widzenia Pana jako astrofizyka?

Z punktu widzenia astrofizyka, żaden z tych aspektów nie jest ciekawy. Wszystkie te dziwy, o których Pan wspomina mają dziać się we wnętrzu czarnych dziur, są więc niedostępne dla obserwacji. Temperatura astrofizycznych czarnych dziur jest niższa od temperatury tła kosmicznego, więc zgodnie z zasadami termodynamiki, nie promieniują, lecz pochłaniają promieniowanie.

Jeśli chodzi o tzw. firewalle, to jak to wykazaliśmy w Markiem Abramowiczem i Włodkiem Kluźniakiem, nie mogą one powstawać w czarnych dziurach astrofizycznych. Ale to nie znaczy, że nie ma astrofizycznych zagadek dotyczących czarnych dziur. LIGO/Virgo przynoszą coraz to nowe, zdumiewające informacje na temat mas czarnych dziur. Ostatnio okazało się, że istnieją czarne dziury o masach, których nikt się nie spodziewał, bo zgodnie z teorią nie powinny były istnieć. Zagadki dotyczą więc pochodzenia czarnych dziur, zarówno tych o masach gwiazdowych jak i tych supermasywnych. I tak poprzez czarne dziury i fale grawitacyjne uprawiamy astrofizykę, badając ewolucję gwiazd i galaktyk. Możemy nawet testować fizykę jądrową. Warto podkreślić, że jednym z głównych autorytetów w tej nowopowstałej astronomii fal grawitacyjnych jest Krzysztof Belczyński, profesor w Centrum Astronomicznym im. M. Kopernika PAN.

Rzeczywiście, niedawna detekcja narodzin czarnej dziury o masie “pośredniej” odbiła się dość szerokim echem. Chciałem natomiast dopytać, skoro już został poruszony ten wątek, o supermasywne czarne dziury. Która z hipotez tłumaczących powstanie tych potworów wiedzie obecnie prym?

Supermasywne czarne dziury powstają przez połykanie materii (akrecję) oraz przez zlewanie się dziur mniej masywnych. Uważa się, że obydwa te procesy grają rolę w ich ewolucji. Czarne dziury o masach 10 miliardów mas Słońca (25 tysięcy cięższe od tej w Galaktyce) istniały już, gdy Wszechświat miał tylko 1 miliard lat. Nie mają czasu, by powstać przez zlewania się czarnych dziur mniejszych, a z drugiej strony, by urosnąć tak bardzo w tak krótkim czasie musiałyby połykać olbrzymią ilość materii w bardzo szybkim tempie, a nie jest jasne czy były na to warunki. Więc tak, z nimi jest kłopot.

Jean-Pierre Lasota
Prof. Jean-Pierre Lasota.

Jeszcze wracając na koniec do Nobli: które z wielkich osiągnięć współczesnej fizyki nie doczekało się jeszcze docenienia przez Komitet w Sztokholmie, a pańskim zdaniem zdecydowanie powinno? Komu Profesor będzie kibicował w najbliższych latach?

Nie rozumiem, dlaczego odkrywca kwazarów, Maarten Schmidt nie dostał Nobla. Ale chyba już nie dostanie. Aspect i Zeilinger powinni oczywiście być noblistami i zapewne będą już niedługo. Ale będę kibicować komu innemu. Uważam, że za wkład teoretyczny do zrozumienia emisji i detekcji fal grawitacyjnych nagrodę Nobla powinni dostać Andrzej Trautman i Thibault Damour. Wymieniam te nazwiska chronologicznie: Trautman za wykazanie, że fale grawitacyjne są rzeczywistą konsekwencją ogólnej teorii względności, a Damour za stworzenie narzędzi matematycznych, które pozwalają na ich detekcję.

Trzymam kciuki. Mówią, że działa nawet gdy się w to nie wierzy.

Trudna sprawa, ale kto wie? Tymczasem dziękuję Panu Profesorowi za poświęcony czas i mam nadzieję, że będziemy mieli okazję jeszcze porozmawiać!

Z Jean-Pierrem Lasotą rozmawiał
Adam Adamczyk

Skąd LIGO wie, że to czarne dziury? Jak wielka jest czarna dziura w M87? Komik o nauce – recenzja ‚Pikniku z Einsteinem’