Uniwersytet Śląski w Katowicach

Tegoroczną Nagrodę Nobla z Fizyki przyznano za badania dotyczące czarnych dziur. Laureatami zostali: Roger Penrose (połowa nagrody) „za odkrycie, że powstawanie czarnych dziur jest typowym przewidywaniem ogólnej teorii względności” oraz Reinhard Genzel wraz z Andreą Ghez (druga połowa nagrody) za „odkrycie supermasywnego zwartego obiektu w centrum naszej galaktyki”, który jest czarną dziurą znaną pod nazwą Sagittarius A*.

Koncepcja czarnych dziur jako obiektów ściśniętych do tak małych rozmiarów, że w wyniku ich silnej grawitacji powierzchniowej prędkość ucieczki z tych ciał przewyższałaby prędkość światła w próżni, jest obecnie mocno ugruntowana w fizyce i popularna nawet w środowiskach znajdujących się poza nią (np. w literaturze). Nie zawsze jednak tak bywało. Wprawdzie możliwość istnienia takich obiektów rozpatrywana była jeszcze na gruncie klasycznej grawitacji newtonowskiej już pod koniec XVIII w. w pracach angielskiego astronoma Johna Michella oraz późniejszych badaniach Pierre’a Simona de Laplace’a, jednakże w ówczesnych czasach przewidywania te traktowane były raczej jako ciekawostka. Dopiero sformułowanie przez Alberta Einsteina ogólnej teorii względności (OTW) stało się punktem wyjścia do poważnych rozważań nad ideą czarnych dziur. OTW została zbudowana na założeniu, że grawitacja nie jest siłą w klasycznym znaczeniu tego słowa ale raczej skutkiem zakrzywienia czasoprzestrzeni spowodowanego obecnością materii. Związek zakrzywienia czasoprzestrzeni z rozkładem materii został ujęty matematycznie w tzw. równaniach Einsteina, które okazały się niezwykle skomplikowane a jedyną drogą w kierunku znalezienia rozwiązań były szczególne założenia dotyczące symetrii. Jedno z pierwszych rozwiązań zostało odkryte przez Karla Schwarzschilda, który rozważał geometrię czasoprzestrzeni na zewnątrz sferycznie symetrycznego (nieobracającego się) ciała jakim była masa punktowa. Okazało się wówczas, że rozwiązanie odzwierciedla przypadek obiektu znanego z  wcześniejszych analiz Michella i Laplace’a. Promień tego ciała zwany obecnie promieniem Schwarzschilda, jest tak naprawdę tzw. horyzontem zdarzeń – granicą po przekroczeniu której nic nie może się wydostać kończąc w tzw. osobliwości centralnej.

Rozwiązania OTW bazujące na założeniu symetrii sferycznej budziło wiele kontrowersji – spodziewano się, że w przyrodzie realizowane są raczej przypadki nie wykazujące tak silnych własności symetrycznych i tym samym nie prowadzące do powstawania osobliwości. Z drugiej strony istnienie takiego obiektu byłaby niezwykle kłopotliwe z uwagi na fakt, iż jest ono miejscem gdzie znane prawa fizyki nie mają już zastosowania. Rok 1963 okazał się przełomowy, kiedy to Roger Penrose zaproponował nowy, ścisły z matematycznego punktu widzenia sposób badania globalnych własności czasoprzestrzeni opisywanych przez OTW bez potrzeby uciekania się do szczególnych założeń dotyczących symetrii (tzw. diagramy Penrose’a). Osobliwości zostały zdefiniowane tutaj jako obszary czasoprzestrzeni w których kończą się historie cząstek a kolaps do tychże obiektów staje się nieunikniony jeżeli tylko powstanie tzw. powierzchnia złapana (czyli taka, że promienie światła wysłane na zewnątrz niej muszą się zbiegać).

Astronomiczne poszukiwania sygnałów związanych z istnieniem czarnych dziur prowadzone były przez dłuższy czas bez sukcesu. Z początkiem lat sześćdziesiątych, wraz z odkryciem kwazarów (i później obiektów znanych jako aktywne jądra galaktyk, ang. AGN) nastąpił w tej kwestii punkt zwrotny. W środowisku naukowym stało się jasne, że obiekty te należy rozpatrywać w kategorii dowodu na istnienie czarnych dziur. Najbardziej naturalnym wytłumaczeniem jest to, że AGN to galaktyki zawierające w swoich jądrach supermasywne (tj. o masach  od miliona do miliarda mas Słońca) czarne dziury. Narodziło się podejrzenie, że w centrum Drogi Mlecznej również znajduje się taki obiekt, który obserwowany był od lat 70-tych XX-wieku jako silne punktowe radioźródło Sagittarius A*. Przełom nastąpił dopiero ponad 20 lat później. Dwie grupy naukowców pod kierownictwem Andrei Ghaz z obserwatorium Kecka na Hawajach oraz Reinharda Genzel’a w Południowym Obserwatorium Europejskim (ESO) w Chile, bazując na własnych obserwacjach prowadzonych w sposób ciągły przez prawie 30 lat, odtworzyły precyzyjnie trajektorie orbit skupiska gwiazd znajdujących się w sąsiedztwie centrum Galaktyki. Analiza pokazała, że gwiazdy poruszają się wokół tegoż centrum po klasycznych elipsach wokół obiektu, którego masę oszacowano na 4 miliony mas Słońca, a którego nie widać w żadnym zakresie fal elektromagnetycznych. Odkrycie to dało silny dowód istnienia centralnej czarnej dziury w naszej Galaktyce.

Obecnie dysponujemy coraz bogatszym materiałem obserwacyjnym dotyczącym nie tylko supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrach galaktyk, ale również tych  o mniejszych masach, znajdujących się w gwiazdowych układach podwójnych tworzących tzw. układy rentgenowskie. Został on uzupełniony niedawno o dane rejestrowane w detektorach fal grawitacyjnych, w których sygnały interpretowane są jako pochodzące z układów dwóch zlewających się czarnych dziur. Badania własności czarnych dziur stały się niezwykle cenione zwłaszcza w kontekście prób połączenia dwóch filarów współczesnej fizyki: modelu standardowego cząstek elementarnych oraz OTW w ramach tzw. kwantowej teorii grawitacji.

Autor:

dr Aleksandra Piórkowska-Kurpas

 

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.