Penrose udowodnił, że są. Ghez i Genzel je znaleźli. Nobel za czarne dziury

Grzegorz Jasiński: Jak pani profesor przyjęła dzisiejsze ogłoszenie laureatów nagrody Nobla? 

Prof. Agata Różańska: Przede wszystkim przyjęłam je z dużą radością, gdyż po raz kolejny okazało się, że Nobel z fizyki powędrował do astrofizyków. To już w ostatnich czasach staje się niemal regułą. W 2017 roku astrofizycy otrzymali nagrodę za odkrycie fal grawitacyjnych, w zeszłym roku była nagroda za kosmologię i za odkrycie pierwszych planet poza słonecznych. No i teraz po raz kolejny. Oznacza to, że moja dziedzina jest bardzo ważna i bardzo blisko dotyka naszego rozwoju cywilizacyjnego. Po drugie, bardzo się cieszę, że noblistką jest kobieta i to w dodatku tylko 3 lata ode mnie starsza. To jest niesłychanie rzadkie i na pewno pokazuje, że kobiety też są w stanie bardzo dużo zrobić w takiej fundamentalnej nauce.

Zacznijmy od Rogera Penrose’a. On napisał pracę, która w 1965 roku się ukazała i i pokazała, że czarne dziury mogą istnieć, że ogólna teoria względności tak naprawdę dopuszcza ich istnienie, a może nawet je wymusza. I wtedy wszystko się zaczęło. 

Tak, jego praca rzeczywiście była przełomowa. Ludzie już wcześniej dyskutowali o czarnych dziurach, ale matematycznie czarne dziury jawiły się to pewne rozwiązanie równań Einsteina. Była to osobliwość w równaniach matematycznych, a wiemy doskonale, że na takie rozwiązania fizycy mówią matematykom “nie”. Twierdzą, że to nie jest fizyczne, bo to jest osobliwość. Penrose właśnie pokazał, że fizycy się mylą, że być może w tym momencie, w przypadku tych właśnie supermasywnych czarnych dziur, to jednak jest to fizyczne i może istnieć. Czyli on wprowadził taki przełom. Einstein też zresztą powątpiewał w te czarne dziury. Wychodziło mu to z równań, ale nie wiadomo było co dalej z tym zrobić. Robert Penrose jest doskonałym matematykiem i formalnie pokazał, jak do tego doszło, jak to można udowodnić. W dodatku nakazał jakby astrofizykom, teraz weźcie te instrumenty i szukajcie tych supermasywnych czarnych dziur. On jakby zapoczątkował nowe kierunki w astrofizyce i badaniach astrofizycznych, badania nad galaktykami, to że w ich centrach są supermasywne czarne dziury. Oczywiście jedna na jedną galaktykę. Zapoczątkował badania nad aktywnymi jądrami galaktyk, czyli takimi galaktykami, gdzie tam w środku jest taki motorek, ta czarna dziura jeszcze ściąga materię, materia tworzy dysk akrecyjny i to wszystko ewoluuje. No i w ogóle badania nad obiektami zwartymi, czyli w ogóle nad czarnymi dziurami. To był przełom i nadal jest, na pewno warto to pamiętać. 

Penrose współpracował ze Stephenem Hawkingiem, też z nim dyskutował. Zapewne warto wspomnieć też Hawkinga, który nagrody Nobla nie doczekał.

Oni bardzo dużo w tym temacie zrobili. Warto wspomnieć Hawkinga, który miał wiele elementarnych odkryć na ten temat, ale myślę, że tutaj jest całe grono astrofizyków, którzy zajmują się ściśle tą teorią czarnych dziur i – jak widać – te badania są ważne. Polepszają nam się też techniki obserwacyjne i my możemy dostarczać dowodów na istnienie czarnych dziur. Ten temat dotyczy następnych dwojga noblistów.

Przejdźmy do nich. Oni odkryli coś, co napędza naszą galaktykę. I co znajduje się w miejscu nazwanym tajemniczo Sagittarius A*, więc najpierw rozszyfrujmy tę nazwę. 

No tak, nazwa jest tajemnicza, ale taka typowa dla astronomów. Astronomowie mają swoje klucze na nadawanie nazw jakichś obiektów. Przede wszystkim A z gwiazdką dotyczy pewnego silnego radioźródła, które znajduje się w gromadzie Strzelca. 

Stąd Sagittarius. 

Tak. Wszelkie badania astrometryczne ruchu gwiazd pokazują, że tam musi być centrum naszej galaktyki. Wszystko wskazuje na to, że cała materia krąży wokół tego miejsca, wokół tego środka masy. Zacznę może od kobiety. Andrea Ghez jest pierwszą autorką takiej bazowej pracy z 2008 roku, pokazującej, że my przez 12 lat śledziliśmy jedną gwiazdę, która zatoczyła pełną orbitę wokół Sagittariusa A*. Ta orbita eliptyczna, bardzo blisko Sagittariusa A* pozwoliła na podstawie praw Keplera, które wszyscy znamy z liceum, obliczyć masę tej czarnej dziury z dużą dokładnością. I wyszło na to, że tam w środku, w małym obszarze znajduje się masa 4,5 milionów mas Słońca. Ta olbrzymia masa to musi być czarna dziura. To było takie bardzo ładne, wręcz na palcach pokazanie, że ta supermasywna czarna dziura jest w środku. I przy okazji zmierzenie jej masy.

A jeśli chodzi o rozmiary, to stwierdzenie, że to mniej więcej obejmuje objętość naszego Układu Słonecznego, skąd się wzięło?

To 120 jednostek astronomicznych, taka najmniejsza odległość tej gwiazdy od Sagittariusa A*. To troszkę jeszcze większe odległości, ale nadal bardzo blisko, najbliżej jak to było możliwe. 

Proszę mi powiedzieć, jak się bada te obiekty, których nie widać, nawet nie powinno być widać, a równocześnie wszyscy o nich mówią. Czarne dziury są takim pojęciem popularnym w kulturze masowej, państwo zdołaliście je wepchnąć nam wszystkim do świadomości. 

Czarna dziura przede wszystkim działa na wyobraźnię. Bo wiemy, że cokolwiek tam do niej wpadnie, to już nie wydostanie na zewnątrz. Więc jest tajemnicza. Po drugie, to co zrobił Roger Penrose, to nam przypomniał i dokładnie opisał, że istnieje taka granica wokół czarnej dziury, tzw. horyzont zdarzeń. I to co tam wpadnie, to rzeczywiście wypaść nie może, ale wszystko to co się dzieje przed horyzontem zdarzeń, my możemy obserwować. I właśnie ten trzeci laureat Reinhard Genzel wymyślił techniki obserwacyjne dotykające instrumentów o najwyższych standardach technologicznych, które pozwalają nam badać materię, zanim przekroczy granicę horyzontu zdarzeń. 

Taki ostatni krzyk tej materii. 

Tak, ostatni krzyk tej materii. Obecnie my budujemy instrumenty w różnych przedziałach widma, w widmie widzialnym np. teleskop Hubble’a, w zakresie fal radiowych to są radioteleskopy, ale najlepsze zdjęcia otrzymujemy z instrumentów, które badają przestrzeń kosmiczną w podczerwieni i falach submilimetrowych. I to jest właśnie skład Genzela w badanie Sagittariusa A*. On pokazał, że teleskopy działające w tym zakresie widma, są w stanie bardzo dokładnie zbadać po pierwsze tę gwiazdę, którą odkryła pani Ghez, a po drugie cały obszar wokół supermasywnej czarnej dziury w naszej galaktyce. Tam jeszcze znajduje się dużo pyłu, który przykrywa światło wychodzące z centrum naszej galaktyki, ale te teleskopy, te techniki, które zaproponował Genzel właśnie potrafią sobie z tym poradzić. Dzięki niemu mamy najdokładniejsze zdjęcia tych obszarów wokół supermasywnej czarnej dziury w naszej rodzimej galaktyce. 

Teraz zyskaliśmy jeszcze jeden instrument, czyli fale grawitacyjne, których odkrycie też nagrodzono niedawno nagrodą Nobla. Czego pani oczekuje po tego typu badaniach? 

Odkrycie fal grawitacji było absolutnie przełomowe. Po pierwsze, dlatego że to jest jakby nowa fizyka, nowy nośnik informacji, którego wcześniej nigdy nie znaliśmy. To nie są fale elektromagnetyczne. Cała astronomia dotychczas się opierała na falach elektromagnetycznych, a teraz nagle pojawia się coś innego, pojawia się fala, która bada zmarszczki czasoprzestrzeni, czyli zawirowania czasoprzestrzeni, które powstają z uwagi na jakieś dynamiczne procesy. W tym wypadku, żeby taka fala grawitacyjna powstała, muszą się zderzyć dwie czarne dziury, albo czarna dziura i gwiazda neutronowa. Muszą to być takie właśnie obiekty o bardzo dużej grawitacji. Jak one się zderzą, zaburzają czasoprzestrzeń. Te zmarszczki, jak do nas docierają, mówią nam co tam daleko się stało.

Co istotne nie ulegają zakłóceniu po drodze, to jest coś co nieco daje też niezwykłą siłę tej metodzie obserwacji. 

Nie ulegają zakłóceniu, ale niestety bardzo słabo oddziałują z materią, co nie pozwoliło nam ich odkryć wcześniej. Prace nad detektorami fal grawitacyjnych trwały od lat 60. i dopiero w 2017 roku, a właściwie na przełomie 2016 i 2017 była pierwsza detekcja fali grawitacyjnej. Tysiące astrofizyków nad tym pracowało po to, żeby pokazać, że Einstein miał znowu rację. 

Pani profesor, co jeszcze państwo spodziewacie się odkryć w rejonie Sagittariusa A*? Co badacie i czego można tam jeszcze oczekiwać? 

Ja osobiście badam oddziaływanie takiej gorącej materii – która również jest w centrum naszej galaktyki, ona jest obserwowana rentgenowsko – właśnie z tym gazem, który Genzel bada w swoich obserwacjach w podczerwieni. To jest znacznie chłodniejszy gaz i my teraz doskonale wiemy, że tam zgromadzone są jakby dwie fazy, faza ciepła rentgenowska i poza tym chłodna, obserwowana właśnie przez przez inne grupy astrofizyczne. Ja osobiście patrzę jak te dwie fazy współistnieją ze sobą wokół supermasywnych czarnych dziur, tak bardzo bardzo blisko. Natomiast moim zdaniem najważniejsze będzie teraz stworzenie obrazu czarnej dziury w naszej galaktyce. Taki obraz w zeszłym roku został opublikowany. Właśnie w przypadku galaktyki M87. 

Tam jest dużo potężniejsza czarna dziura. 

Tam jest dużo potężniejsza czarna dziura. Wymyślone przez inną grupę obserwatorium Event Horizon Telescope pozwoliło popatrzeć jak zakrzywia się, jak zdeformowany jest obraz, taka fotografia czarnej dziury, w przypadku tego obiektu. To jest rząd miliardów mas Słońca, po prostu monstrum. Dzięki temu, że ta czarna dziura jest taka wielka, horyzont zdarzeń też jest bardziej odsunięty i można zrobić temu zdjęcie. Natomiast wiem, że Event Horizon Telescope patrzy teraz również na “naszą” czarną dziurę. Ona jest mniejsza, ale jest bliżej. I myślę, że takie samo zdeformowane zdjęcie, obraz materii wokół czarnej dziury zdeformowanej przez jej grawitację, to będzie na pewno fascynujący materiał.

Materiał na kolejnego Nobla w tej dziedzinie?

No nie wiem, nie wiem, ale w przypadku fal grawitacyjnych też powątpiewałam, a Nobel był natychmiast. Tak że nie wiem, czy tutaj będzie rzeczywiście Nobel, bo my wiemy, że ta czarna dziura tam jest. Natomiast sam obraz? Czy to zasługuje na Nobla? Może tak.