Instytut Astronomii

KontaktPiwnice k. Torunia, 87-148 Łysomice
tel.: +48 56 611 30 10
fax: +48 56 611 30 09

Nagroda Nobla z fizyki przyznana

obrazek: [fot. nobelprize.org]
fot. nobelprize.org

Nagroda Nobla z Fizyki 2020 przyznana została za badania teoretyczne i obserwacyjne dotyczące czarnych dziur - najbardziej masywnych i tajemniczych obiektów astronomicznych we Wszechświecie. Połowa nagrody trafi do Rogera Penrosa “za odkrycie, że powstawanie czarnych dziur jest naturalną konsekwencją ogólnej teorii względności”, a druga połowa dla Reinharda Genzela oraz Adreai Ghez “za odkrycie supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki”. 

Ogólna teoria względności sformułowana przez Alberta Einsteina w 1915 roku zrewolucjonizowała myślenie o grawitacji i jej wpływie na czas i przestrzeń. Jej nieintuicyjny charakter spowodował, że od momentu jej ogłoszenia intensywnie poszukiwane były sposoby potwierdzenia jej poprawności poprzez szereg testów obserwacyjnych. Pierwsze z nich opierały się na obserwacjach wykonanych w naszym Układzie Słonecznym i dotyczyły ugięcia się światła w polu grawitacyjnym Słońca (doświadczenie Eddingtona z 1919 roku) oraz kształtu orbity Merkurego, której precesja jest zgodna z przewidywaniami teorii Einsteina. Odkrycia uhonorowane tegoroczną Nagrodą Nobla stanowią kamień milowy w rozwinięciu teorii Einsteina i potwierdzenia jej poprawności poprzez badanie efektów obserwacyjnych w przypadku zdecydowanie silniejszych pól grawitacyjnych niż znajdowane w najbliższym otoczeniu Ziemi.

Roger Penrose (profesor emerytowany Uniwersytetu w Oxfordzie) używając języka matematycznego opisał naturę czarnych dziur i wykazał, że mogą powstawać w realistycznych warunkach. Jego teoria pojawiła się w 1965 roku, krótko po odkryciu na falach radiowych tzw. kwazarów - obiektów astronomicznych emitujących ogromne ilości energii, odpowiadające jasności całych galaktyk. Ich istnienie wiązano z opadaniem materii na bardzo masywny, zwarty obiekt centralny. Penrose szczegółowo opisał, w jaki sposób powstają tak zwarte obiekty (czarne dziury) i dlaczego są całkowicie niewidoczne dla obserwatora. Udowodnił, że w wyniku kolapsu grawitacyjnego np. masywnych gwiazd utworzona zostanie tzw. osobliwość, wokół której nastąpi zagięcie czasu i przestrzeni uniemożliwiające wydostanie się świała na zewnątrz.

55 lat po tych pionierskich badaniach wiemy, że czarne dziury występują powszechnie we Wszechświecie, a najpewniej w centrum każdej galaktyki znajduje się supermasywna czarna dziura o masach rzędu miliona mas Słońca. Jednak charakteryzacja tych obiektów wcale nie jest trywialna z obserwacyjnego punktu widzenia. Szczególnym wyzwaniem okazały się poszukiwania i późniejsze badania czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki. Położenie Ziemi w tzw. dysku galaktycznym powoduje, że patrząc w kierunku centrum widzimy tysiące gwiazd, a także obłoki pyłu i gazu które skutecznie blokują światło widzialne. Z tego powodu, nawet już po odkryciu w latach 60-tych radioźródła Sag A*, którego pochodzenie wiązano z czarną dziurą, przez kolejne dziesięciolecia “namierzano” dokładne położenie i własności centrum naszej Galaktyki.

Reinhard Genzel (profesor w Max Planck Institute for Extraterrestial Physics i na Uniwersytecie w Berkeley) oraz Andrea Ghez (profesor na Uniwersytecie Kalifornijskim) przez kilka dekad prowadzili precyzyjne pomiary położeń gwiazd w okolicach oczekiwanego centrum naszej Galaktyki, które doprowadziły do potwierdzenia istnienia czarnej dziury oraz wyznaczenia jej własności. Kierowane przez nich grupy badawcze równolegle zajmowały się budową i wykorzystaniem coraz bardziej precyzyjnych instrumentów działających w zakresie bliskiej podczerwieni, które pozwoliły na obserwacje ruchów gwiazd w gęstych, pyłowych obszarach centralnych Galaktyki. Przełomowe okazały się obserwacje gwiazdy S2, która okrąża centrum w 16 lat mimo, że porusza się z zawrotną prędkością ok. 3% prędkości światła. Obserwacje te pozwoliły wyznaczyć masę czarnej dziury na 4 miliony mas Słońca, a w ostatnich kilku latach - potwierdzić dodatkowe efekty wynikające z teorii względności Einsteina - tzw. grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni oraz precesję orbity gwiazdy S2 w ekstremalnie silnym polu grawitacyjnym.

Detekcje fal grawitacyjnych będących efektem zderzeń masywnych, zwartych obiektów (Nagroda Nobla w 2017 roku) oraz obserwacje milimetrowe czarnej dziury w galaktyce M87 w ramach Even Horizon Telescope pokazują, że badania zapoczątkowane przez tegorocznych Noblistów otworzyły nową erę fascynujących odkryć astronomicznych.

Więcej informacji:&
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/popular-information/
https://www.eso.org/public/news/eso2017/?lang
https://www.quantamagazine.org/physics-nobel-awarded-for-black-hole-breakthroughs-20201006/

pozostałe wiadomości