Czytaj dalej

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.

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!


Nato­miast spra­gnio­nych czegoś więcej, zapra­szam do lektury książki Kłopoty z fizyką. O co kłócą się fizycy?

Książka "Kłopoty z fizyką".
Bonus dla tych, którzy dotarli do końca. Jutro (tj. 13 października) o tej porze na kwantowym fanpejdżu odbędzie się mały konkurs. Dzięki uprzejmości Copernicus Center Press, będziecie mieli szansę wygrania paru egzemplarzy książki Jean-Pierre’a Lasoty i Karoliny Głowackiej. Skoro przeczytaliście z zainteresowaniem cały wywiad, to zasłużyliście na przywilej i uprzedzenie o zabawie. 🙂

Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

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