Nauki ścisłe [2020-10-07]

Dr Karska o Noblu za najciemniejsze sekrety Wszechświata

— Żaneta Kopczyńska

Trwa tydzień noblowski. We wtorek poznaliśmy laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki. Otrzymali ją Roger Penrose, Andrea Ghez i Reinhard Genzel. Ostatni z wymienionych to mentor dr Agaty Karskiej z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK, która przez pięć lat pracowała w kierowanej przez niego Grupie Podczerwonej w Instytucie Maxa Plancka.

Królewska Szwedzka Akademia Nauk postanowiła uhonorować troje naukowców za "odkrycie najciemniejszych sekretów Wszechświata". Wszyscy z laureatów zajmują się bowiem badaniem czarnych dziur, jednych z najbardziej masywnych i tajemniczych obiektów astronomicznych.

- Ogólna teoria względności sformułowana przez Alberta Einsteina w 1915 r. 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 – tłumaczy dr Agata Karska z Instytutu Astronomii UMK. - 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 r.) 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.

Wyróżnieni nie podzielą się nagrodą po równo. Połowa trafi do Sir Rogera Penrose'a,  za "odkrycie, że powstawanie czarnych dziur jest naturalną konsekwencją ogólnej teorii względności". To jeden z najwybitniejszych fizyków i matematyków, emerytowany profesor Uniwersytetu w Oxfordzie, który już w latach 60. dowodził, w jaki sposób zapadanie się grawitacyjne gwiazd prowadzi do powstawania czarnych dziur.

- Jego teoria pojawiła się 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 – tłumaczy dr Karska. - 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 światła na zewnątrz.

Ponad pół wieku po tych pionierskich badaniach wiemy już, że występowanie czarnych dziur we Wszechświecie jest powszechne, a (najpewniej) w centrum każdej galaktyki znajduje się supermasywna czarna dziura o masach przekraczających milion mas Słońca.

Charakteryzacja tych obiektów wcale nie jest trywialna z obserwacyjnego punktu widzenia – tłumaczy dr Karska. - Szczególnym wyzwaniem okazały się poszukiwania i późniejsze badania czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki.

Druga połowa nagrody zostanie podzielona pomiędzy dwójkę naukowców - Reinharda Genzela oraz Andreę Ghez, którzy otrzymali ją za "odkrycie supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki".

Andrea Ghez jest amerykańską astronomką, pracującą na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles. Drugim z laureatów jest niemiecki astrofizyk Reinhard Genzel, profesor w Max Planck Institute for Extraterrestial Physics i na Uniwersytecie w Berkeley. To właśnie w jego grupie przez pięć lat pracowała dr Agata Karska. Punktem stycznym ich badań były obserwacje procesów powstawania gwiazd w podczerwieni, przy czym dr Karska skupiała się na obszarach w ramionach spiralnych Galaktyki, a prof. Genzel  w samym jej centrum. Oprócz tego zespół kierowany przez prof. Genzela przez kilka dekad prowadził precyzyjne pomiary położeń gwiazd w okolicach oczekiwanego centrum naszej Galaktyki. Zarówno jego zespół, jak i grupa prof. Ghez, zebrali w ten sposób najbardziej przekonujące dowody na to, że znajduje się w nim supermasywny obiekt, najpewniej właśnie czarna dziura.

- Kierowane przez nich grupy badawcze równolegle zajmowały się budową i wykorzystaniem coraz dokładniejszych instrumentów działających w zakresie bliskiej podczerwieni, które pozwoliły na obserwacje ruchów gwiazd w gęstych, pyłowych obszarach centralnych Galaktyki - precyzuje dr Karska.

Przełomowe okazały się obserwacje gwiazdy S2, która okrąża centrum w 16 lat mimo, że porusza się z zawrotną prędkością ok. 3 proc. 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.

Dr Agata Karska przez kilka lat współpracowała z tegorocznym noblistą w Instytucie Fizyki Pozaziemskiej w Garching.

- Już w 2009 r., kiedy rozpoczynałam doktorat w Instytucie Maxa Plancka, mówiło się, że prof. Genzel na pewno dostanie Nobla. Uhonorowanie jego pracy przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk było właściwie tylko kwestią czasu – co do znaczenia odkryć i dokonań prof. Genzela nikt nie miał wątpliwości od lat – wspomina dr Karska. – Prof. Geznezl ma za sobą ponad 30 lat systematycznej, czasochłonnej, często żmudnej pracy i wiele sukcesów naukowych na koncie.

Dr Karska zwraca uwagę na charakter Nagrody Nobla – to wyróżnienie nie jest zwykle przyznawane za jednorazowe, choćby najbardziej spektakularne odkrycie naukowe.

- Akademia nie stawia już na indywidualistów, pracujących w odosobnieniu. Dzisiejsza nauka w dużej mierze opiera się na pracy zespołowej, na międzynarodowych konsorcjach, na współdziałaniu z krajowymi i zagranicznymi ośrodkami, np. w przypadku prof. Genzela i jego zespołu szczególnie istotna była współpraca na polu budowania instrumentów z Europejskim Obserwatorium Południowym - ESO, którego i Polska jest członkiem – tłumaczy dr Karska. - Tak, jak mówiłam – to wieloletnia praca, która przynosi efekty. I w przypadku prof. Reinharda Genzela efekty widoczne są od dawna, a ich ukoronowaniem jest właśnie Nobel.

*ESO (ang. European Southern Observatory), czyli Europejskie Obserwatorium Południowe to międzynarodowa organizacja zrzeszająca europejskie kraje. Została powołana w 1962 r. w celu budowy i utrzymywania obserwatoriów astronomicznych na półkuli południowej.