Nobel przyznany za badania nad czarnymi dziurami. Przełomowe odkrycia pozwolą poznać przeszłość Wszechświata

W 2020 roku Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki trafiła do trójki badaczy zaangażowanych w badania związane z wyjaśnieniem fenomenu czarnych dziur. Komitet docenił duet naukowców odpowiedzialnych za obserwacyjne potwierdzenie istnienia supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki Drogi Mlecznej oraz fizyka, który opracował matematyczny wzór procesu powstawania czarnej dziury z zapadających się gwiazd.

– Połowę Nagrody Nobla dostał fizyk teoretyk i matematyk Roger Penrose za badania nad czarnymi dziurami. Drugą połowę otrzymali dwaj astronomowie, którzy obserwując ruchy gwiazd w pobliżu centrum galaktyki, zrekonstruowali źródło pola grawitacyjnego odpowiedzialne za ten ruch. Tym źródłem jest bardzo ciężki i bardzo mały obiekt, czyli coś, co dobrze pasuje do opisu czarnej dziury – mówi agencji informacyjnej Newseria Innowacje dr hab. Andrzej Dragan z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Teorie o istnieniu obiektów kosmicznych tak masywnych, że są w stanie pochłaniać nawet światło słoneczne, rozważano już pod koniec XVIII wieku. Jednak dopiero sformułowanie ogólnej teorii względności przez Alberta Einsteina dopuściło istnienie obiektów tego typu. W 1965 roku Roger Penrose przekuł teorię w dowód matematyczny i zaprezentował wzór, który potwierdzał proces powstawania czarnych dziur, za co został właśnie wyróżniony Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.

Wkład Reinharda Genzela oraz Andrei Ghezy w badania nad zjawiskiem czarnych dziur polegał zaś na udowodnieniu, że za powłoką pyłową w gęstym centrum naszej galaktyki znajduje się grupa gwiazd okrążająca z dużą prędkością masywny obiekt ulokowany w samym jej centrum. W toku badań udało się ustalić, że jest nim supermasywna czarna dziura Sagittarius A*. To odkrycie pozwoliło z kolei ustalić, że wszystkie galaktyki o dużej masie orbitują wokół supermasywnej czarnej dziury.

– Czarna dziura w centrum naszej galaktyki ma masę mniej więcej 5 mln mas Słońca i jest obiektem punktowym, czyli czymś, co jest nieskończenie małe. Wokół tej czarnej dziury rozciąga się horyzont zdarzeń. Przekroczenie tej powierzchni to bilet w jedną stronę, nie można wrócić zza horyzontu. Na nim zatrzymuje się czas i dzieją się różne dziwne rzeczy. Są to bardzo abstrakcyjne obiekty i właśnie dzięki badaniom Penrose’a i obserwacjom dwóch pozostałych laureatów wiemy, że takie rzeczy rzeczywiście istnieją i są całkiem namacalne i obecne w naszej galaktyce – wyjaśnia ekspert.

Na przestrzeni ostatnich kilku lat dokonano wielu ważnych odkryć związanych z czarnymi dziurami. Jedno z najgłośniejszych było związane z premierą filmu „Interstellar”. Na potrzeby tej produkcji reżyser Christopher Nolan zatrudnił w roli eksperta fizyka Kipa Thorne’a, który miał za zadanie wypracować matematyczny model zachowania cząsteczek krążących wokół czarnej dziury. Obliczenia posłużyły do stworzenia wiernej, wielkoskalowej rekonstrukcji czarnej dziury z podwójnym dyskiem akrecyjnym.

Z kolei w 2019 roku po raz pierwszy udało się sfotografować obraz wokół czarnej dziury za pośrednictwem Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope). EHT składa się z ośmiu naziemnych radioteleskopów zaprojektowanych specjalnie z myślą o badaniu czarnych dziur. Obserwacje przeprowadzone w galaktyce Messier 87 pozwoliły zaprezentować pierwsze dowody wizualne na istnienie supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk.

– Często badania naukowe prowadzą do nieoczekiwanych zastosowań, które trudno przewidzieć. Dzięki znajomości fizyki czarnych dziur możemy używać ich do badania bardzo odległych obszarów kosmosu, które są niedostępne w jakikolwiek inny sposób. Zazwyczaj bada się światło dochodzące do nas z gwiazd, ale często jest ono zaburzone przez materię, która znajduje się po drodze. Natomiast czarne dziury zderzając się, emitują fale grawitacyjne, które możemy obserwować. I te fale grawitacyjne mogą nam posłużyć do stworzenia mapy radarowej, która pozwoli powiedzieć, gdzie co jest, jaka jest struktura Wszechświata czy jaki jest rozkład materii – wskazuje dr Andrzej Dragan.