Czarna dziura warta nagrody Nobla z Fizyki w 2020 roku

Fizyka i związane z nią inne dziedziny nauki, takie jak bogato obdarzana nagrodami astronomia i kosmologia, są na tyle skomplikowane, że dziś trudno o nagrodzenie wyłącznie jednej osoby za wkład, czy uhonorowanie tylko konkretnego odkrycia czy teorii.

Przypomnijmy sobie poprzednie nagrody powiązane z astronomią:

• nagroda Nobla z Fizyki rok 2015 – Takaaki Kajita i Arthur B. McDonald za udowodnienie, że neutrina mają masę
• nagroda Nobla z Fizyki rok 2017 – Rainer Weiss, Barry C. Barish oraz Kip S. Thorne za wkład w skonstruowanie detektora LIGO do obserwacji fal grawitacyjnych
• nagroda Nobla z Fizyki rok 2019 – James Peebles za rozwój teoretycznej kosmologii oraz Michel Mayor i Didier Queloz za odkrycie pierwszej egzoplanety wokół gwiazdy typu słonecznego

Rok 2020 przynosi nam ponownie nagrodę dla trzech osób, tym razem związanych z bardzo trudnym jak i ciekawym tematem, jakim są czarne dziury.

Nagrodzeni to:

• Roger Penrose, który odkrył że tworzenie się czarnych dziur to naturalna konsekwencja ogólnej teorii względności,
• Reinhard Genzel i Adrea Ghez wyróżnieni zostali za niezależne odkrycie supermasywnego zwartego obiektu w centrum Galaktyki. Jak zawsze istnienie takiego skupiska materii przewidywano dużo wsześniej, ale nagroda Nobla rządzi się swoimi prawami i faworyzuje tych, którzy zrobili coś namacalnego. Obserwacje takiego obiektu, który można utożsamiać z czarną dziurą, są właśnie czymś takim.

Czarne dziury, czyli coś co fascynuje Rogera Penrose

Roger Penrose jest jednym z najznamienitszych naukowców naszych czasów, choć należy już do starej gwardii. Urodził się w 1931 roku w Wielkiej Brytanii. Współtworzył on wraz z Hawkingiem podstawy teorii czarnych dziur i szkoda, że ten drugi nie doczekał się wyróżnienia. Podobno jego badania były zbyt oderwane od rzeczywistości, zbyt mocno zagłębiały się w analizy różnych możliwości egzystencji, które trudno potwierdzić w praktyce. Obaj byli ekspertami od teorii czarnych dziur, mieli różne poglądy na ten temat i jak widać to Roger doczekał się nagrody. Jak to się mówi, im prościej opisujesz fakty, tym więcej ludzi Cię zrozumie.

Dlaczego nagrody nie dostał za czarne dziury Einstein? Za jego życia była to koncepcja jeszcze mocno teoretyczna, poza tym sam genialny fizyk nie wierzył do końca w ich istnienie. Dopiero w 1965 roku, dziesięć lat po śmierci Einsteina, młody jeszcze 35 letni Roger Penrose udowodnił, że czarne dziury mogą powstawać i opisał ich podstawowe własności. Cokolwiek o czarnych dziurach powiedziano od tego momentu, zawsze odwołujemy się do modelu jaki nakreślił nam Penrose. Czyli obiektu zwartego o tak dużej masie, że nawet światło nie jest w stanie przezwyciężyć jego grawitacji, a wewnątrz którego powszechnie stosowane prawa fizyki i pojęcie czasoprzestrzeni przestają obowiązywać. Obiektu, który wbrew wcześniejszym przewidywaniom nie musi być idealnie kulisty i symetryczny.

Czarna dziura - dawka teorii w skrócie

Czarne dziury choć wydają się kompletnie oderwane od naszej rzeczywistości, są uznawane za najsilniejszą konsekwencję Ogólnej Teorii Względności, w praca Rogera Penrose ze stycznia 1965 roku za najważniejszy teoretyczny dokument uzupełniający prace Einsteina.

Skąd biorą się czarne dziury?

Czarne dziury mogą mieć różne źródła pochodzenia. Niektóre teorie (Hawking) przewidują ich istnienie już od zarania dziejów w postaci pierwotnych obiektów. Nie muszą przy tym być one masywne. Wystarczy, że dany obiekt jest odpowiednio silnie zwarty.

Jednak ogólnie przyjęty pogląd, zakłada, że Czarna Dziura to obiekt, który powstaje w wyniku kolapsu grawitacyjnego bardzo masywnej gwiazdy. Tak masywnej, że jest w stanie doprowadzić w swojej otoczce do etapu spalania, w którym podejmowana jest próba spalania żelaza. To jednak się nie udaje. Gwiazda traci swoje źródło promieniowania, które równoważy ściskającą materię siłę grawitacyjną i zapada się do osobliwości. Wokół niej występuje tak zwany horyzont zdarzeń. Materia, która go przekroczy nie jest w stanie wrócić do naszego Wszechświata w tej samej postaci. W tym momencie pojawia się pole do rozważań co dzieje się dalej, ale to już bardziej skomplikowany dział astronomii.

Powstanie czarnej dziury w opisany wyżej sposób odbywa się w procesie, który nazywa się wybuchem supernowej, która przez pewien czas jest jaśniejsza niż cała Galaktyka (wideo powyżej). Słońce nie będzie supernową, bo ma za małą masę. Do tego potrzebna jest kilka razy większa masa. Na dodatek w trakcie wybuchu supernowej spora cześć materii zostaje odrzucona w przestrzeń, a zapada się tylko cześć masy pierwotnej gwiazdy.

Czarna dziura jest w stanie karmić się materią wysysaną z pobliskich obiektów i w ten sposób zwiększać swoją masę. Jednak to jak powstają bardzo masywne obiekty wciąż jest polem otwartej debaty. Bardzo masywne, czyli takie, których obserwacje są drugim z nagrodzonych w 2020 roku osiągnięć.

Gwiezdne zawijasy czyli zaburzenia orbit gwiazd blisko w centrum Galaktyki

Teoria zawsze nabiera wartości, gdy powiąże się z nią obserwacje. Obiekty, które zasługują na miano czarnych dziur występują w różnych miejscach, ale zawsze do tych najbardziej spektakularnych należą skupiska materii w centrach galaktyk. W naszej galaktyce takim obiektem jest region określany jako Sagittarius A*. Tę nazwę nadał mu Harlow Shapley, który w latach 60. XX wieku określił lokalizację centrum Galaktyki. Nazwa bierze się od gwiazdozbioru Strzelca, czyli Sagittarius.

To tam kryje się supermasywny obiekt, którego wprost nie zobaczymy na żadnym zdjęciu, ale którego wpływ na orbity pobliskich gwiazd można bezpośrednio zaobserwować.

Wizja centrum Galaktyki i materii obiegającej supermasywną Czarną Dziurę

Tym właśnie od wczesnych lat 90. XX wieku zajmowali się Reinhard Genzel i Andrea Ghez. Nie tylko oni brali udział w obserwacjach, ale jako osoby kierujące swoimi projektami i nadające mu ton, uznano za najbardziej godne nagrody. Nagrodzenie dwóch zespołów to także dowód na to, że obecnie dwie niezależne grupy astrofizyków mogą dojść do tego samego wniosku i nie ma podstaw, by działania jednej traktować jako ważniejsze niż drugiej.

Dojrzeć centrum Galaktyki nie jest prosto. Większa jego część jest dokładnie przesłonięta chmurami międzygwiazdowego pyłu i gazu, który blokuje docierające do nas światło gwiazd. To co mamy okazję zobaczyć, szczególnie gdy odwiedzimy kraje bliżej równika, jako poświatę centrum Galaktyki to przede wszystkim światło materii znajdującej się dookoła. Zajrzeć głębiej ku środkowi Drogi Mlecznej można dopiero za pomocą najpotężniejszych teleskopów.

Te teleskopy wyposażone w technologie kompensujące zgubny wpływ wibracji atmosfery i superczułe cyfrowe detektory, pozwalają precyzyjnie obserwować pozycje gwiazd (tzw. astrometria). To właśnie monitorowanie zmian ich położenia pozwoliło ocenić poprawność teorii określających zachowanie się materii w centrum Galaktyki, które tworzy bardzo masywny zwarty obiekt. Poniżej symulacja ruchu gwiazd wokół Sagittariusa A*.

To czarna dziura, której masa oceniana jest na 4 miliony mas Słońca. Również my wraz z Układem Słonecznym obiegamy to centrum, ale po pierwsze jesteśmy w odległości około 26 tysięcy lat świetlnych, po pełny obieg środka Galaktyki zajmuje około 250 milionów lat. Tymczasem gwiazda, która obiega Sagittatius A* w jego bezpośrednim sąsiedztwie ma bardzo ciasną orbitę. W momencie maksymalnego zbliżenia się znajduje się w mniej więcej takiej odległości co Pluton od Słońca (około 40 jednostek astronomicznych czyli odległości Ziemia-Słońce). W tym momencie porusza się z prędkością 7000 km/s czyli około 0,023 prędkości światła .

Sagittarius A* - dawka danych obserwacyjnych w skrócie

To 1500 razy szybciej niż średnia prędkość orbitalna Plutona wokół Słońca. Nasza planeta karłowata ma co prawda wydłużoną orbitę, ale w porównaniu z orbitą tej najbliższej centrum Galaktyki gwiazdy, jest ona doskonale kołowa. Ta gwiazda, oznaczona symbolem S2 obiega czarną dziurę w środku Galaktyki w około 16 lat.

Prawda, że fascynujące. Są na świecie ludzie, których bardziej kręci to co niewidoczne niż RTX 3080, Cyberpunk 2077 i czy nowy Samsung Galaxy S20FE. Ale to dobrze, równowaga w naturze zawsze jest wskazana, poza tym każda z wymienionych tu rzeczy ma pośredni związek z postępem nauki.

Źródło: nobelprize.org, inf. własn, fot: NASA, wideo: ESO

Więcej na tematy astronomiczne:

• Co to jest samotna planeta? Jak je znaleźć? Czy jest ich więcej niż gwiazd we Wszechświecie?
• Zmierzyć odległość Ziemia-Księżyc z pomocą lasera jest trudniej niż myślicie
• Mars 2020 bez tajemnic - ciekawe fakty - misja pomyślnie rozpoczęta