Nobelovu cenu za fyziku v roce 2020 dostali Roger Penrose, Reinhard Genzel a Andrea Ghez (zdroj Královská švédská akademie věd).

Dostali ji tří fyzikové. Polovinu dostal teoretický fyzik Roger Penrose za své dílo v oblasti analýzy formování černé díry pomocí obecné teorie relativity. Roger Penrose je spolu s nedávno zesnulým Stephenem Hawkingem nejznámějším fyzikem, který se věnuje černým dírám a hledání kvantové teorie gravitace.

O druhou polovinu se podělili Reinhard Genzel a Andrea Ghezová za potvrzení existence supermasivní černé díry v centru naší Galaxie. Oba jsou astronomy, kteří se zaměřují na studium vesmíru v infračerveném oboru. Toto záření proniká i velmi silnými vrstvami prachu a plynu a lze ta pomocí něho pozorovat i hvězdy v centru naší Galaxie schované právě za mezihvězdnými mlhovinami.

Obecná teorie relativity a singularity v nitrech černých děr

Roger Penrose je teoretický fyzik, který se se stal klíčovým průkopníkem v oblasti využití exaktních matematicko-analytických metod a rovnic obecné teorie relativity při zkoumání problémů spojených s černými děrami a singularitami, které při jejich popisu vznikají. Matematický přístup, který zvolil, dramaticky změnil metodiku zkoumání vlastností prostoročasu popisujícího černé díry. Do té doby se velice obtížně a zdlouhavě hledala jednotlivá nová řešení Einsteinových rovnic pole. Šlo pouze o dílčí, lokální a velice specifické případy. Penrose dramaticky posunul matematické možnosti a metody v této oblasti. Dokázal najít způsoby, jak získat globálně platná tvrzení v matematickém stylu, které dokázaly roztřídit různé prostoročasy na ty, jejichž obecné charakteristiky vedou k tomu, že obsahují singularitu a na ty, které singularitu neobsahují. Zároveň dramaticky zrychlil jejich analýzu a hledání těch, které jsou podle obecné teorie relativity přípustné. Ve svých pracích odvodil celou řadu exaktních matematických vět a metod, které jsou klíčové pro tuto oblast.

Přístup, který zavedl Penrose, inspiroval také Hawkinga. Ten jej aplikoval na celý Vesmír a jeho počátek, a podařilo se mu prokázat, že v rámci obecné teorie relativity musí být na počátku vývoj našeho vesmíru singularita, kterou nelze odstranit. Připomeňme, že později právě Hawking prokázal, že ji odstranit lze, ale pouze s využitím kvantové teorie gravitace. Velice pěkně popisuje obrovský přínos Hawkinga a jeho spolupráci právě s Penrosem pro Osla Pavel Brož ve svém velice pěkném vzpomínkovém přehledu vydaném v době úmrtí tohoto skvělého teoretického fyzika v roce 2018.

Roger Penrose je úplně napravo, uprostřed je Steven Hawking a nalevo je Andrew Wiles (zdroj Twitter OxUniMaths).

Penrose a Hawking pak spolu velmi intenzivně spolupracovali při hledání obecných charakteristik prostoročasů obsahujících singularity, tedy obecnými vlastnostmi černých děr. Zjistili, že plocha horizontu černé díry vzniklého při splynutí dvojice černých děr nemůže být menší, než byl součet plochy horizontů původních černých děr a souvislost tohoto faktu s vlastnostmi entropie. Podobně jako u zmiňované singularity na počátku vývoje našeho Vesmíru se i zde situace může změnit v případě, že uplatníme kvantovou teorii gravitace. S využitím kvantových efektů lze popsat zmenšování horizontu černé díry a proces vypařování černé díry Hawkingovým zářením.

Aby teoretický fyzik dostal Nobelovu cenu, musí se potvrdit existence jim popisovaného objektu nebo procesu. Vypracovaná teorie může být geniální, nádherně elegantní a správná. Pokud však nepopisuje svět, ve kterém žijeme, a objekty, které se v něm vyskytují, Nobelovu cenu nedostane. Nobelova cena za černé díry tak byla do značné míry závislá na tom, kdy se podaří získat přímé důkazy o jejich existenci. A to se podařilo právě v minulých letech. Dne 14. září 2015 zachytil experiment LIGO gravitační vlny, které vznikly splynutím dvou černých děr. Objev byl ohlášen v únoru 2016 a v následujících letech byly zaznamenány už téměř dvě desítky emisí gravitačních vln, z nichž se z dominantní části jednalo právě o splynutí černých děr. Nedávno jsme na Oslovi psali o detekci gravitačních vln ze splynutí černých děr, kterým vznikla nejtěžší známá černá díra. Černé díry se tak staly právě i díky Rogeru Penrousovi nástrojem na testování obecné teorie relativity a hledání cest ke kvantové gravitaci.

Za první detekci gravitačních vln dostali Nobelovu cenu Kip Thorne, Barry Barish a Rainer Weiss v roce 2017. Do značné míry právě tento přímý důkaz existence černých děr otevřel cestu k Nobelově ceně pro Rogera Penrose. Je škoda, že Steven Hawking bohužel zemřel 14. března 2018. Nobelovu cenu může dostat pouze žijící fyzik. Podle mého názoru tak duch Stevena Hawkinga bude při předávání ceny ve Stockholmu také, spolu s Rogerem Penrosem.

Systém dalekohledů VLT na observatoři Paralan v Čile, který byl využit k pozorování infračerveného záření z jasných hvězd v těsné blízkosti centra naší Galexie (zdroj ESO).

Pozorování vlivu supermasivní černé díry

K potvrzení existence černé díry, tentokrát té supermasivní v centru naší Galaxie, přispěli další dva nositelé letošní Nobelovy ceny za fyziku. Jsou jimi Reinhard Genzel a Andrea Ghezová. Zároveň ukázali, že se dá také využít pro testování obecné teorie relativity.

Předpokládá se, že v nitru galaxií se nachází supermasivní černé díry. Jejich hmotnosti jsou mezi 10⁵ až 10¹⁰ hmotností slunce. V jádrech aktivních galaxií a kvazarech by právě tyto černé díry měly stát za jejich extrémní svítivostí. Obrovská energie se uvolňuje v procesech při dopadu hmoty na jejich horizont, které vedou k výtryskům hmoty urychlené na rychlosti blízké rychlosti světla. Supermasivní černá díra v nitru naší Galaxie je klidný objekt s hmotností okolo čtyř milionů hmotnosti Slunce. Vytváří však velmi intenzivní gravitační pole, které umožňuje na pohybu hvězd, které jsou v blízkosti jejího horizontu, velmi přesně studovat předpovědi obecné teorie relativity. Z našeho pohledu je střed Galaxie v souhvězdí Střelce ve vzdálenosti 25 640 světelných let od Země a nachází se zde komplex intenzivních zdrojů radiových vln Sagittarius A. Těsně okolo něho obíhá několik velmi jasných hvězd. Jedna z nich s označením S2 se k černé díře přibližuje na vzdálenost až 20 miliard kilometrů, což je jen zhruba sto dvacetkrát více, než je vzdálenost Země od Slunce. Hvězda se pohybuje po eliptické dráze rychlostí okolo tří procent rychlosti světla a jeden její oběh trvá 16 let. Velice dobře se tak dá studovat její dráha a oběh.

Právě díky extrémní blízkosti k supermasivní černé díře a tím i velmi velké intenzitě gravitačního pole se zde projevují velmi silně jevy spojené s obecnou teorií relativity. Jde například o stáčení eliptické dráhy. Bod nejbližšího přiblížení hvězdy k černé díře se kvůli tomu totiž posunuje. Tento jev byl poprvé pozorováno ve formě stáčení perihelia planety Merkur. To je však velmi malé. U hvězdy S2 je velmi velké a podařilo se je velice přesně změří v průběhu 27 let trvajících přesných měření. Tedy již při jednom oběhu. Zjištěná hodnota stáčení dráhy této hvězdy okolo supermasivní černé díry velice přesně odpovídá předpovědím obecné teorie relativity.

Zobrazení nejbližších jasných hvězd, které obíhají okolo supermasivní černé díry v centru naší Galaxie. Nejblíže se dostane právě hvězda S-2 (zdroj F. Eisenhauer, R. Genzel et al: arXiv:astro-ph/0502129).

Jak už bylo zmíněno, pozorování se uskutečnilo v blízké infračervené oblasti. Ta je velmi výhodná, protože světlo o této vlnové délce je nejméně rozptylováno prachoplynovými mlhovinami ve směru k centru Galaxie. Záření s těmito vlnovými délkami však velmi dobře pohlcuje voda. Proto je pro jeho pozorování nutné použít dalekohledy ve vysokohorských suchých oblastech. Takovým je komplex dalekohledů VLT (Very Large Telescope), který je na observatoři Paranal ESO v Čile. A právě to bylo pracoviště, kde svá pozorování ocenění astronomové uskutečnili.

Obrázek supermasivní černé díry v galaxii M87 pořízený systémem devíti velkých pozemních radioteleskopů, které pracovaly jako velký interferometr (zdroj ESO).

Ještě bych se zmínil o jednom unikátním pozorování černé díry. S využitím sestavy devíti velkých radioteleskopů Event Horizon Telescope se podařilo sledovat pomocí radiového záření z blízkosti jejího horizontu. Ty pracovali jako velký interferometr. Radiové vlny se převedly do zobrazení tvaru a okolí supermasivní černé díry. Jednalo se o černou díru, která se vyskytuje v nitru galaxie M87. Zobrazení velice dobře odpovídá předpovědím chování okolí horizontu a rádiového záření z něj. Jde o významný krok k využití této techniky pro studium vlastností černých děr a testování obecné teorie relativity.

Závěr

Současná Nobelova cena je udělena teoretickému fyzikovi a experimentálním astronomům za potvrzení možnosti využití černých děr pro testování a ověřování obecné teorie relativity. Jak ve hvězdných černých dírách, tak v superhmotných černých dírách, jsme dostali skvělý nástroj pro testování obecné teorie relativity a dalších gravitačních teorií. Možná, že nám jejich studium otevře cestu ke kvantové gravitaci. I za to budeme vděčit oceněným fyzikům a jejich kolegům. Je tak nesporné, že si ji letošní kandidáti opravdu zaslouží. Detekce gravitačních vln byl jedním z mých klukovských snů a mým oblíbeným objektem jsou právě i černé díry. Jsem moc rád, že právě vybraní kandidáti a toto téma budou letos ve Stockholmu.