Nagroda za badania czarnych dziur

Laureatami tegorocznej nagrody Nobla z fizyki zostało troje naukowców poszukujących odpowiedzi na pytanie: czym są czarne dziury?

Publikacja: 06.10.2020 14:34

Nagroda za badania czarnych dziur

Foto: AFP

10 grudnia br., w 124 rocznicę śmierci Alfreda Nobla, medal jego imienia otrzyma trójka światowej sławy badaczy najbardziej tajemniczych obiektów we wszechświecie: Brytyjczyk Roger Penrose, Niemiec Reinhard Genzel i Amerykanka Andrea Mia Ghez. Najstarszy z tego grona, 89-letni sir Roger Penrose, jest emerytowanym profesorem na wydziale matematyki Uniwersytetu w Oxfordzie.

Nie sposób encyklopedycznie przedstawić całość badań i osiągnięć tego wybitnego naukowca. Szwedzka Królewska Akademia Nauk doceniła jego rolę w udowodnieniu, że istnienie czarnych dziur jest zgodne z teorią względności Einsteina.

To także ukłon dla zmarłego w 2018 roku profesora Stevena Hawkinga, który przez lata współpracował z Rogerem Penrosem nad koncepcją „osobliwości”.

Kłopotliwa nieskończoność

W roku 1796 francuski matematyk Pierre Simon de Laplace opublikował książkę pt. „Exposition du Systeme du Monde”, w której przekonywał, że w kosmosie muszą istnieć przerażające obiekty o niewielkiej objętości, ale o olbrzymiej masie.

W 1916 roku niemiecki fizyk Karl Schwarzschild wyliczył na podstawie równania pola ogólnej teorii względności Einsteina (ogłoszonej rok wcześniej) istnienie tzw. osobliwości. Wielu współczesnych mu fizyków oburzało się, że to jakaś intelektualna fanaberia, ponieważ w osobliwości przestają działać teoretyczne prawa fizyki ze względu na nieskończone wyniki. Nie mogli uwierzyć, że mogą istnieć obiekty grawitacyjne o tak wielkiej masie i gęstości, że nawet światło nie jest w stanie z nich uciec.

Jednak w 1931 roku indyjski astrofizyk Subrahmanyan Chandrasekhar wsparł teorię Schwarzschilda, wyliczając maksymalną masę białego karła (granica Chandrasekhara), po zwiększeniu której następuje nieunikniona zapaść gwiazdy w czarną dziurę. Sama nazwa „czarna dziura” – stworzona dla zobrazowania tego, że takie obiekty nie odbijają niczego, niczym ciało doskonale czarne – została wymyślona dopiero pod koniec lat 60. XX wieku przez amerykańskiego fizyka, prof. Johna A. Wheelera. Wcześniej nazywano je „czarnymi gwiazdami”.

Osobliwość (ang. singularity) została opisana i zdefiniowana dopiero 53 lata po publikacji Karla Schwarzschilda w 1969 roku przez dwóch mało wówczas znanych angielskich fizyków: Stevena Hawkinga i Rogera Penrose'a. Ogłosili oni hipotezę zakładającą, że w czasoprzestrzeni może pojawić się punkt, którego krzywizna jest nieskończona i z której może powstać nawet cały wszechświat.

Rok później Hawking i Penrose opublikowali przełomową pracę naukową pt. „Osobliwości w kolapsie grawitacyjnym i kosmologii”. Opisywała ona obszar, w którym materia jest ściśnięta do najmniejszej możliwej przestrzeni. Innymi słowy naukowcy dowodzili, że taki obiekt posiada masę, ale nie ma rozmiaru, jednocześnie mając nieskończoną gęstość.

I to owa „nieskończoność” przez ostatnie 50 lat budziła wielki niepokój naukowców, w tym także samego Hawkinga, który posiłkując się mechaniką kwantową pod koniec życia zaczął rewidować swój pogląd. We wznowionym wydaniu „Krótkiej historii czasu” napisał nawet zdanie, które wywołało dyskusję w świecie fizyków teoretycznych: „(...) w rzeczywistości nie było żadnej osobliwości w chwili powstawania wszechświata”.

Roger Penrose, podobnie jak Steven Hawking, uświadomił sobie konieczność poszukiwania teorii kwantów, która uwzględniałaby także grawitację. Miałaby ona za zadanie zunifikować mechanikę kwantową z ogólną teorią względności, która opisuje właśnie oddziaływania grawitacyjne.

Einstein się nie mylił

Z kolei 68-letni profesor Reinhard Genzel, absolwent wydziału fizyki uniwersytetów we Freiburgu i w Bonn, wieloletni pracownik naukowy katedry radioastronomii Instytutu Maxa Plancka i profesor fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, został wyróżniony ex aequo z amerykańską profesor Andreą Mią Ghez za badania i potwierdzenie istnienia w centrum Drogi Mlecznej supermasywnej czarnej dziury, której nadano nazwę Sagittarius A* (w skrócie Sgr A*).

Skąd ta gwiazdka w nazwie? Tak oznakowano centralną czarną dziurę o masie ok. 4,3 mln mas Słońca (nasza gwiazda waży 20 do potęgi 30 kilogramów), która należy do złożonego radioźródła w gwiazdozbiorze Strzelca o nazwie Sagittarius A. Profesor Reinhard Genzel nadzorował w Instytucie Maxa Plancka badania nad tym obiektem przez międzynarodowy zespół pod kierownictwem Rainera Schödela. Wyniki tych prac potwierdziły istnienie w centrum naszej galaktyki supermasywnej czarnej dziury oddalonej o ok. 26-27 tysięcy lat świetlnych od Ziemi.

Dzięki obserwacjom prowadzonym przy pomocy teleskopu VLT w lipcu 2018 roku , zespół pod kierownictwem Reinharda Genzela opublikował badania, z których wynika, że wokół Sgr A * krąży bardzo wiele gwiazd o różnych orbitach. Jedna z nich jest oznakowana jako S2 i porusza się z prędkością 7650 km / s, czyli blisko 3 proc. prędkości światła. Zespół zaobserwował tzw. precesję Schwarzschilda. Jest to efekt , który najbardziej skrótowo można określić jako zmiany położenia gwiazdy w największym odchyleniu na jej orbicie eliptycznej wokół czarnej dziury. Zarówno światło, jak i sama gwiazda zachowywały się zgodnie z przewidywaniami teorii Einsteina.

Wyniki badań zostały wsparte pracą prof. Andrei Ghez z Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles. Dzięki obrazowaniu centrum naszej galaktyki w podczerwieni za pomocą Teleskopów Kecka, zespół tej amerykańskiej uczonej, był w stanie „zajrzeć” przez ciężki pył blokujący światło widzialne do środka Drogi Mlecznej.

W ten sposób stosując przez wiele lat optykę adaptacyjną do korekcji turbulencji atmosfery, uzyskano obrazy o bardzo wysokiej rozdzielczości, które umożliwiły śledzenie orbit gwiazd wokół supermasywnej czarnej dziury Sagittarius A *.

W październiku 2012 roku zespół prof. Ghez zidentyfikował drugą gwiazdę, orbitującą wokół Centrum Galaktyki, której nadano nazwę katalogową S0-102. Także ona zachowuje się zgodnie z przewidywaniami teorii względności.

Tegoroczna nagroda Nobla z fizyki nie jest zatem tylko wyróżnieniem dla odkrywców centralnej czarnej dziury w naszej galaktyce, ale także ukłonem dla jednego z największych geniuszy w dziejach świata – profesora Alberta Einsteina, tworcy teorii względności.

10 grudnia br., w 124 rocznicę śmierci Alfreda Nobla, medal jego imienia otrzyma trójka światowej sławy badaczy najbardziej tajemniczych obiektów we wszechświecie: Brytyjczyk Roger Penrose, Niemiec Reinhard Genzel i Amerykanka Andrea Mia Ghez. Najstarszy z tego grona, 89-letni sir Roger Penrose, jest emerytowanym profesorem na wydziale matematyki Uniwersytetu w Oxfordzie.

Nie sposób encyklopedycznie przedstawić całość badań i osiągnięć tego wybitnego naukowca. Szwedzka Królewska Akademia Nauk doceniła jego rolę w udowodnieniu, że istnienie czarnych dziur jest zgodne z teorią względności Einsteina.

Pozostało 91% artykułu
2 / 3
artykułów
Czytaj dalej. Subskrybuj
Nauka
Kto przetrwa wojnę atomową? Mocarstwa budują swoje "Arki Noego"
Materiał Promocyjny
Wykup samochodu z leasingu – co warto wiedzieć?
Nauka
Czy wojna nuklearna zniszczy cała cywilizację?
Nauka
Niesporczaki pomogą nam zachować młodość? „Klucz do zahamowania procesu starzenia”
Nauka
W Australii odkryto nowy gatunek chrząszcza. Odkrywca pomylił go z ptasią kupą
Materiał Promocyjny
Jak kupić oszczędnościowe obligacje skarbowe? Sposobów jest kilka
Nauka
Sensacyjne ustalenia naukowców. Sfotografowano homoseksualny akt humbaków