Tegoroczna prestiżowa nagroda Nobla z fizyki przypadła trójce wybitnych uczonych. Połowę (50%) nagrody przyznano słynnemu brytyjskiemu matematykowi i fizykowi Sir Rogerowi Penrose'owi z Uniwersytetu w Oxfordzie. Jest to o tyle ciekawe dla nas, że naukowiec ten ostatnio współpracuje blisko z Polakami. Pozostałą część nagrody (a więc po 25%) podzielono równo pomiędzy dwoje astrofizyków związanych z Kalifornijskim Uniwersytetem w Berkeley: Reinharda Genzela oraz Andreę Ghez.
Żródło: Wikipedia/domena publiczna
Całą trójkę laureatów wiążą zainteresowania z dziedziny astrofizyki związane z jednymi z najbardziej egzotycznych i fascynujących ciał niebieskich zwanych czarnymi dziurami.
Co to są czarne dziury?
Otóż, mówiąc najprościej, są to obiekty tak gęste i masywne, że ich siła przyciągania - grawitacja - jest tak silna, iż nie pozwala na wydobycie się z ich czeluści niczemu: żadnym cząsteczkom materii, a nawet żadnym promieniom światła. Cząsteczki światła (fotony) podlegają grawitacji tak samo jak wszystkie inne cząstki materialne. Wszystko zatem, co znajdzie się w pobliżu takiej masywnej czarnej dziury, wewnątrz tzw. horyzontu zdarzeń, nawet światło i inne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego, zostaje wciągnięte praktycznie na zawsze, powiększając tym samym masę samej czarnej dziury, a zarazem pogłębiając jeszcze siłę jej grawitacyjnego przyciągania. W ten sposób, czarna dziura sama ciągle nabiera masy, coraz szybciej pożerając otaczającą ją materię.
Skąd wiadomo o czarnych dziurach? Ideę, że może istnieć tak masywne ciało, iż nawet światło nie może z niego uciec, postulował angielski geolog John Michell w roku 1783 w pracy przesłanej do Royal Society. W tym czasie obowiązywała teoria grawitacji Isaaca Newtona i już istniało pojęcie prędkości ucieczki. Michell rozważał, iż w kosmosie może istnieć wiele tego typu obiektów, które nie pozwalają uciec nawet światłu. Teoria grawitacji Newtona nie narzucała jednak górnej granicy na prędkość ucieczki, a więc nie pozwalała na bardziej precyzyjne zdefiniowanie czarnych dziur.
Bardziej precyzyjnie opisuje czarne dziury tzw. Ogólna Teoria Względności. Otóż są one teoretyczną konsekwencją tego ścisłego opisu struktury Wszechświata zaproponowanego w 1915 r. jeszcze przez samego Alberta Einsteina. Przez wiele lat czarne dziury to była czysta teoria. Nie można ich było bezpośrednio zaobserwować niemal z definicji: nie pozwalają przecież na ucieczkę światłu, a więc nie można ich zobaczyć tak, jak na przykład widzimy gwiazdy. Ponieważ nie pozwalają ucieć żadnemu promieniowaniu, to nie można ich bezpośredio zaobserwować w zakresie żadnego pasma elektromagnetycznego, to jest, ani w promieniach gamma, ani rentgenowskich, ani w ultrafiolecie czy podczerwieni, ani poprzez fale radiowe.
Jedyny efekt, jaki czarne dziury wywołują w swoim otoczeniu to efekt przyciągania grawitacyjnego. Tak więc, jedynym właściwie sposobem aby wykryć obecność czarnej dziury w przestrzeni to pośrednia obserwacja otaczającej ją materii - którą w taki czy inny sposób "widzimy" - i wywnioskowanie na podstawie zachowania tej materii, że musi na nią oddziaływać bardzo silna grawitacja, której źródła nie widać bezpośrednio.
Nazwę "czarna dziura" (ang. Black Hole) opisującą taki obiekt zaproponował po raz pierwszy w 1969 r. amerykański astrofizyk John Wheeler.
Tegoroczny laureat, brytyjski matematyk i astrofizyk Sir Roger Penrose, na podstawie obliczeń Ogólnej Teorii Względności Einsteina, dostarczył solidnych i niezaprzeczalnych teoretycznych podstaw do stwierdzenia, że czarne dziury są nieuniknioną konsekwencją tej Teorii. Einstein sam nie wierzył, że czarne dziury naprawdę istnieją. Dopiero Penrose pokazał, że matematyczna struktura Ogólnej Teorii Względności wymaga ich istnienia, na długo przed ich praktycznymi obserwacjami.
Pierwsze rozwiązanie równania Einsteina dotyczącego tych obiektów przedstawił Karl Schwarzschild, ale nie potraktowano tego zbyt poważnie. Dopiero w styczniu 1965 roku, dziesięć lat po śmierci Einsteina, Roger Penrose opublikował, że czarne dziury naprawdę mogą się tworzyć i opisał je szczegółowo. W ich sercu czarne dziury skrywają tzw. osobliwość (ang. singularity), w której załamują się wszystkie znane prawa natury. Jego przełomowy artykuł sprzed 55 lat jest nadal uważany za najważniejszy przyczynek do Ogólnej Teorii Względności od czasów Einsteina.
Jak powstają czarne dziury?
Materia, z której zbudowana jest zwykła gwiazda podobna do naszego Słońca, podlega działaniu dwóch przeciwstawnych sił: grawitacji, usiłującej ścisnąć ją do centralnego punktu, i ciśnieniu gorącego gazu, próbującego rozerwać gwiazdę. Gwiazda jest stabilna, tak długo, gdy te dwie siły się równoważą. Gdy grawitacja bierze górę, mamy do czynienia z zapaścią grawitacyjną.
Do powstania czarnej dziury potrzebne jest nagromadzenie dostatecznie dużej masy w odpowiednio małej objętości. Może się to dziać na kilka sposobów. Jednym z nich jest grawitacyjna zapaść masywnej gwiazdy, o masie ponad 20-krotnie większej od masy Słońca. Końcowa faza rozwoju takiej masywnej gwiazdy może wyglądać bardzo efektownie, gdy gwiazda wybucha jako tzw. supernowa.
Wybuch supernowej potrafi wygenerować więcej energii niż cała reszta galaktyki w której taka supernowa wystąpiła. Większość materii, z której składała się supernowa wyrzucona jest w przestrzeń, wzbogacając ją w ciężkie pierwiastki. To, co zwykle pozostaje w centrum po wybuchu, to nieprawdopodobie gęsta i masywna tzw. gwiazda neutronowa. Jeżeli masa gwiazdy neutronowej przekracza około 3 masy Słońca, to gwiazda neutronowa dalej zapada się grawitacyjnie i powstaje czarna dziura.
Na początku tego roku, astronomowie znaleźli czarną dziurę całkiem blisko naszego Układu Słonecznego, około 1000 lat świetlnych od Ziemi, gdzie zaobserwowano układ dwóch gwiazd o nazwie HR 6819 i wykryto trzecie, wcześniej nieznane ciało. Dane spektrograficzne wykazały, że jedna z dwóch widocznych gwiazd okrąża niewidzialny obiekt co 40 dni, a druga gwiazda znajduje się w dużej odległości od tej wewnętrznej pary. Niewidzialnym obiektem, którego masa jest 4 razy większa od masy Słońca, może być tylko czarna dziura.
Wcześniej wykryto kilkadziesiąt innych czarnych dziur w naszej Galaktyce, między innymi, na przykład na podstawie faktu, że spadająca na nie materia formuje tzw. dysk akrecyjny, rozpędza się do wielkich prędkości/energii i generuje ogromne ilości promieniowania na skutek tarcia, jonizacji i silnego przyspieszenia wchłanianych cząstek, silnie "świecąc" w paśmie rentgenowskim; lub faktu oddziaływania grawitacyjnego na trajektorię gwiazdy związanej w tzw. układzie podwójnym z czarną dziurą. To najnowsze tegoroczne odkrycie jest jednak, jak dotąd, najbliższą odkrytą czarną dziurą.
Czarne dziury są na tyle powszechne we Wszechświecie, że dochodzi nawet do ich zderzeń. 14 września 2015 r. LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) zarejestrowało po raz pierwszy w historii fale grawitacyjne jako rezultat zderzenia dwóch czarnych dziur 1,3 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Obserwacja ta potwierdza teoretyczne przewidywania Einsteina i innych, że takie zdarzenie może zaistnieć.
Czarne dziury w sercach galaktyk
Inną kategorią są supermasywne czarne dziury o masach przekraczających miliony mas Słońca. Od dawna podejrzewano, że takie czarne dziury znajdują się w sercach większości galaktyk, w tym naszej Drogi Mlecznej. 10 kwietnia 2019 roku obiegło świat pierwsze w historii zdjęcie ukazujące cień czarnej dziury w centrum galaktyki M87 (odległej o 53 miliony lat świetlnych), uzyskane dzięki projektowi EHT (Event Horizon Telescope, Teleskop Horyzontu Zdarzeń).
Obraz obiektu M87* w którego centrum znajduje się supermasywna czarna dziura, znajdującego się w sercu galaktyki M87; wygenerowany na podst. danych uzyskanych Teleskopem Horyzontu Zdarzeń.
Tegoroczni laureaci Reinhard Genzel i Andrea Ghez niezależnie przewodzą grupom astronomów, które od wczesnych lat 90-tych skupiały się na regionie nieba zwanym Strzelcem A* (Sagittarius A*), gdzie leży serce naszej Galaktyki. Korzystając z największych teleskopów świata, Genzel i Ghez opracowali metody obserwacji przez pryzmat ogromnych chmur międzygwiezdnego gazu i pyłu aż do samego centrum Drogi Mlecznej. Skonstruowali oni nowe instrumenty i rozwinęli techniki dla skompensowania zniekształceń powodowanych przez atmosferę ziemską, umożliwiając w ten sposób zaobserwowanie dotychczas niwidocznych szczegółów wokół serca Drogi Mlecznej.
Obie grupy znalazły niezwykle ciężki, niewidzialny obiekt, który ciągnie za sobą "ogon" gwiazd, powodując, że pędzą one z zawrotną prędkością, równą ponad 2% prędkości światła. Wszystko wskazuje na to, że w regionie nie większym niż nasz Układ Słoneczny, upakowanych jest razem około 4 milionów mas Słońca. Są to przekonujące dowody na istnienie czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej i za to właśnie badacze ci otrzymali razem połowę tegorocznej Nagrody Nobla z fizyki.
Czarne dziury "parują"
W 1974 roku, niedawno zmarły, słynny brytyjski astrofizyk Stephen Hawking udowodnił, próbując zresztą udowodnić coś wręcz przeciwnego, że istnieje proces kwantowy, dzięki któremu czarna dziura ze swoim polem grawitacyjnym może emitować cząstki promieniowania, co prowadzi do zmniejszenia jej masy i rozmiarów - jej stopniowego zanikania. W pewnym sensie, czarna dziura "paruje" i bardzo powoli znika. To kwantowe wypromieniowywanie cząstek jest procesem niesłychanie powolnym i długotrwałym, ale niemniej istotnym z puntu widzenia kosmologii. Jest to bowiem przesłanka na to, że czarne dziury nie są wieczne - wcześniej czy poźniej, oddadzą one całą zawartą w nich masę z powrotem w postaci promieniowania Hawkinga.
Czarne dziury i kosmologia
Ponad wszelką wątpliwość wiemy, że Wszechświat się rozszerza - galaktyki uciekają od siebie i wobec tego średnia gęstość materii spada. Stąd oczywisty wniosek, że dawniej była większa niż obecnie, co równiez potwierdzają obserwacje. Na dodatek, stosunkowo nowe obserwacje wskazują, że ekspansja Wszechświata zamiast hamować, jeszcze przyspiesza. Z tego wynika, że kiedyś był Wszechświata początek, a przyszłość Wszechświata zgodnie z obecnymi modelami kosmologicznymi to nieograniczone, wykładnicze rozszerzanie się przestrzeni.
Wszystkie gwiazdy kiedyś zgasną, gdy wyczerpie im się atomowe "paliwo". Z zasad termodynamiki wiemy, że wielkość zwana entropią, czyli miara nieuporządkowania, rośnie we Wszechświecie. Nasz Wszechświat podobno “zaczął się” Wielkim Wybuchem z niewielką entropią. Końcowym stanem procesu wzrostu entropii są czarne dziury, obiekty o teoretycznie bardzo wysokiej entropii. Cała materia Wszechświata być może zgromadzi się kiedyś w jedną lub więcej czarnych dziur, które z kolei - jak powiedzieliśmy - też "wyparują". W ten sposób, wszystko - cała materia - zamieni się w promieniowanie elektromagnetyczne, coraz bardziej rozrzedzone, a więc coraz chłodniejsze w miarę wykładniczej ekspansji przestrzeni. Za jakieś 10100 lat we Wszechświecie pozostanie wyłącznie promieniowanie.
Są to dywagacje, które stanowią punkt wyjściowy do bardzo oryginalnej, ale obecnie nader spekulatywnej, teorii kosmologicznej jednego z laureatów tegorocznego Nobla. Otóż Sir Roger Penrose przedstawił w 2005 r. tzw. Konforemną Cykliczną Kosmologię (ang. Conformal Cyclic Cosmology, CCC). Teoria ta podejmuje wyzwanie wytłumaczenia bardzo niskej entropii Wszechświata w Wielkim Wybuchu i jej ciągłego wzrostu w zgodzie z II zasadą termodynamiki, oraz matematycznie łączy osobliwość charakteryzującą początek Wszechświata z jego docelowym losem kiedy wykładniczo rozszerzy sie już "w nieskończoność". Według CCC oba te stany, to właściwie to samo, z uwzględnieniem matematycznego zabiegu zwanego przekształceniem konforemnym.
Nie bedziemy sie tutaj zagłębiać w tą teorię, a jedynie ją sygnalizujemy, aby wskazać na nazwiska bliskich polskich współpracowników Rogera Penrose'a, takich jak Prof. Krzysztof Meissner z Uniwersytetu Warszawskiego, czy Dr Paweł Nurowski z Centrum Fizyki Teoretycznej Akademii Nauk w Warszawie. Jest więc silne powiązanie tegorocznego laureata Nagrody Nobla ze współczesną nauką polską, o czym mamy nadzieję informować jeszcze w przyszłości.
Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w 2020 r. przypadły zarówno teoretykom, takim jak Roger Penrose, jak i praktycznym obserwatorom, jak Reinhard Genzel i Andrea Ghez. To właśnie wzajemne wpływy sfery teoretycznej i praktycznej przyczyniły się do dramatycznych i przełomowych odkryć w dziedzinie astronomii, astrofizyki, kosmologii, i fizyki kwantowej ostatnich dziesięcioleci. Komitet Nobla dał temu wyraźne odzwierciedlenie swym wyborem tegorocznyh laureatów.
Zdjęcia: Wikipedia/domena publiczna.
