Nobel 2020 za czarne dziury - prof. Marek Biesiada wyjaśnia

Tegoroczną nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki podzielili się Sir Roger Penrose oraz Reinhard Genzel i Andrea Ghez. Prof. Marek Biesiada z Zakładu Astrofizyki NCBJ wyjaśnia za co ta nagroda: jak prace profesora Penrose'a przyczyniły się do zrozumienia sensu osobliwych rozwiązań OTW (ogólnej teorii względności) oraz co i jak zaobserwowały zespoły kierowane przez profesorów Gentzela i Ghez.

Prof. dr hab. Marek Biesiada z Zakładu Astrofizyki NCBJ o Nagrodzie Nobla w dziedzinie fizyki 2020

Tegoroczna Nagroda Nobla z Fizyki została przyznana za badania dotyczące czarnych dziur. Połowa nagrody przypadła Rogerowi Penrose'owi "za odkrycie, że powstawanie czarnych dziur jest typowym przewidywaniem ogólnej teorii względności". Drugą połowę otrzymali wspólnie: Reinhard Genzel i Andrea Ghez za "odkrycie supermasywnego zwartego obiektu w centrum naszej galaktyki" – inaczej odkrycie czarnej dziury znanej pod nazwą Sagittarius A*.

Czarne dziury są to masywne obiekty ściśnięte do tak małych rozmiarów, że nic nie może się z nich wydostać, nawet światło – najszybszy, fizyczny nośnik informacji. Tego typu przewidywania jako ciekawostki istniały już pod koniec XVIII wieku. Angielski astronom John Michell oraz nieco później Pierre Simon de Laplace rozważali hipotetyczne ciała niebieskie o tak silnej grawitacji powierzchniowej, że prędkość ucieczki przewyższa prędkość światła. Promień takiego ciała o zadanej masie można łatwo wyliczyć, obecnie wielkość tą znamy jako promień Schwarzschilda.

Einstein sformułował ogólną teorię względności (OTW), zgodnie z którą istotą grawitacji jest zakrzywienie czasoprzestrzeni spowodowane obecnością materii. Pierwsze ścisłe rozwiązanie – pięknych matematycznie, lecz niezmiernie skomplikowanych w swej ogólnej postaci równań Einsteina – zostało podane przez Karla Schwarzschilda. Opisuje ono geometrię czasoprzestrzeni na zewnątrz sferycznie symetrycznego nieobracającego się ciała (punktowej masy). Okazało się, iż pojawił się tam wyliczony wcześniej przez Michella i Laplace'a promień, tym razem jako promień tzw. horyzontu zdarzeń, czyli obszaru, poza który nic nie może się wydostać. Po przekroczeniu horyzontu zdarzeń cząstka wpadająca do czarnej dziury musi zakończyć swój los w osobliwości centralnej – miejscu, gdzie kończą się historie wszystkich cząstek, światła, a najprawdopodobniej załamują się także znane nam prawa fizyki.

Jak to często bywało w historii OTW, znaczenie fizyczne szczególnych rozwiązań budziło ogromne kontrowersje: czy nie są to jedynie bardzo szczególne przypadki lub wręcz osobliwe artefakty poczynionych założeń? Tak było z falami grawitacyjnymi czy rozwiązaniami natury kosmologicznej. W przypadku czarnych dziur sceptycyzm budziło silne założenie sferycznej symetrii. Spodziewano się, iż realistyczne scenariusze zapadania się gwiazd nie doprowadzą do powstania osobliwości. Lecz droga polegająca na poszukiwaniu rozwiązań nie obwarowanych założeniami symetrii, okazała się bezskuteczna. Tu właśnie, w 1963 roku wkracza na scenę Roger Penrose, formułując ścisły matematycznie sposób badania globalnych własności czasoprzestrzeni opisywanych przez OTW, bez konieczności odwoływania się do konkretnych rozwiązań. Wprowadza genialny pomysł opisu i obrazowania (na tzw. diagramach Penrose'a) globalnej chronologicznej struktury czasoprzestrzeni. Definiuje osobliwości jako obszary czasoprzestrzeni, w których kończą się historie cząstek i promieni świetlnych. Wprowadza pojęcie powierzchni złapanej, czyli takiej, że promienie światła wysłane na zewnątrz niej muszą się zbiegać. I wreszcie jest w stanie udowodnić przy najsłabszych możliwych założeniach - dodatniości energii (oraz braku patologii typu podróży w czasie do przeszłości), że jeśli tylko powstanie powierzchnia złapana, kolaps do osobliwości jest nieunikniony. Wprowadzone przez Penrose'a podejście do badań struktury czasoprzestrzeni doprowadziło do wielu późniejszych ważnych wyników teoretycznych, w swoich pracach stosował je m.in. Stephen Hawking.

Astronomowie, z kolei od momentu odkrycia kwazarów (w 1963 r.), a później ogólniejszej klasy galaktyk o aktywnych jądrach (AGN), zaczęli zdawać sobie sprawę, że najbardziej naturalnym wyjaśnieniem natury tych obiektów jest istnienie w centrach galaktyk supermasywnych czarnych dziur o masach od miliona do miliarda mas Słońca. Odkrycie w latach 70-tych XX wieku silnego punktowego radioźródła – nazwanego Sagittarius A* – w centrum Drogi Mlecznej wzbudziło zasadne podejrzenia, że jest ono zasilane przez centralną czarną dziurę. Dopiero podjęte na początku lat 90-tych badania dwóch grup kierowanych przez tegorocznych laureatów: Andreę Ghaz w obserwatorium Kecka na Hawajach oraz Reinharda Genzel'a w Południowym Obserwatorium Europejskim (ESO) w Chile, doprowadziły do sukcesu. Obserwując w sposób ciągły przez prawie 30 lat skupisko gwiazd znajdujących się w sąsiedztwie centrum Galaktyki, byli oni w stanie odtworzyć precyzyjnie ich orbity. Jak się okazało, obiegają one po klasycznych elipsach "coś" czego nie widać w żadnym zakresie fal świetlnych. Analiza orbit pozwoliła wyliczyć masę obiektu centralnego jako 4 miliony mas Słońca. Od ponad 20 lat mamy więc dowód istnienia centralnej czarnej dziury w naszej Galaktyce.

Jakie jest znaczenie tego typu badań? Przede wszystkim podnoszą one poziom naszego zrozumienia czasoprzestrzeni - areny zdarzeń, na której rozgrywa się fizyka, a która od czasów Einsteina przestała być postrzegana jako sztywna scena, lecz stała się pełnoprawnym aktorem. Na podstawie wiedzy jaką uzyskaliśmy teoretycznie studiując czarne dziury, możemy obecnie korzystać z systemu GPS. W dziedzinie astrofizyki, badania centralnych czarnych dziur pogłębiają nasze zrozumienie struktury i ewolucji galaktyk. Wreszcie, jak się sądzi, dalsze badania czarnych dziur mogą mieć kapitalne znaczenie dla stworzenia kwantowej grawitacji, czyli do uzyskania spójnego wewnętrznie połączenia teorii kwantowej z ogólną teorią względności. Tworzący się, coraz bogatszy materiał obserwacyjny dotyczący czarnych dziur – zarówno supermasywnych w centrach galaktyk, w gwiazdowych układach podwójnych (tzw. układach rentgenowskich) czy też tych rejestrowanych przez detektory fal grawitacyjnych, przenosi badania czarnych dziur na zupełnie inny poziom: poziom konfrontacji empirycznych faktów z teorią..

Tegoroczni laureaci:
Sir Roger Penrose, emerytowany profesor Uniwersytetu w Oksfordzie. Wielokrotnie gościł w Polsce, wygłaszając wykłady i współpracując z polskim środowiskiem relatywistów, w roku 2016 odznaczony (wraz z prof. Andrzejem Trautmanem) Krzyżem Komandorskim Orderu Zasługi RP.
Reinhard Genzel – dyrektor Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics w Garching, profesor w University of California w Berkeley
Andrea Ghez - profesor w University of California w Los Angeles; czwarta w historii kobieta uhonorowana Nagrodą Nobla w dziedzinie Fizyki.

Grafika: Zdjęcie otoczenia Sagittariusa A* wykonane przez teleskop kosmiczny Chandra, pracujący w zakresie promieni rentgenowskich. Credit: NASA/CXC/MIT/F. Baganoff, R. Shcherbakov et al.