Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 42 – vyšlo 23. října, ročník 18 (2020) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

42/2020

Černé díry ožívají aneb Nobelovy ceny za fyziku v roce 2020

Petr Kulhánek

Dne desátého prosince 2020, v den výročí smrti Alfreda Nobela, budou opět uděleny Nobelovy cenyNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. za fyziku. Tentokrát půjde výhradně o ceny za příspěvky k fyzice černých děr. První polovinu ceny obdrží sir Roger Penrose za důkaz, že černé díry, předpovězené obecnou relativitou, mohou být skutečnými objekty. Druhou polovinu ceny získávají Reinhard Genzel a Andrea Ghez za objev obří černé díry ve středu naší Galaxie. Za dobu udílení Nobelových cen, tj. v letech 1901 až 2020, bylo uděleno celkem 114 Nobelových cen za fyziku, které obdrželo 216 laureátů. Z toho jeden jediný oceněný, John Bardeen, získal cenu dvakrát. Oceněných je tedy 215. Letos poprvé čtenáře ušetříme oficiálních portrétů nositelů ceny. Před několika lety z nich sice zmizela modrá barva evokující posmrtné skvrny, ale i tak bude lepší, pokud se čtenář seznámí se skutečnými fotografiemi letošních oceněných, než s poněkud bizarními portréty z nobelovských stránek.

Počítačový portrét první objevené černé díry ze souhvězdí Labutě, která se navenek
projevuje jako rentgenový zdroj Cyg X1. Zdroj: NASA/CXC/M. Weiss.

Nobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. Obecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Černá díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují.

Medaile udělovaná oceněným

Historie

Myšlenku existence tělesa, ze kterého by nemělo unikat ani světlo, poprvé zformuloval anglický filosof a geolog John Michell již v roce 1783 a hodnotu Schwarzschildova poloměru z newtonovské mechaniky odvodil francouzský matematik, fyzik a astronom Pierre Simon Laplace v roce 1798. Ve svém výpočtu nalezl poloměr tělesa, pro něhož by byla úniková rychlost rovna rychlosti světla. V té době šlo o fyzikální zajímavost a v existenci takových objektů nikdo nevěřil. Teprve Einsteinova obecná relativita z roku 1915 posunula věci poněkud dále. V roce 1916 spočítal zakřivený časoprostor v okolí sféricky symetrického tělesa německý fyzik Karl Schwarzschild. Pokud je těleso dostatečně stlačené, vytvoří se kolem něho tzv. Schwarzschildův horizont – oblast průchozí zvenku dovnitř, ale nikoli obráceně. Cokoli spadne pod horizont, nemůže se vrátit zpět ke vnějšímu pozorovateli. Hodnota poloměru Schwarzschildova horizontu (tzv. Schwarzschildův poloměr) je shodná s Laplaceovým výpočtem. Pro Slunce vychází tři kilometry. V roce 1963 Roy Kerr zobecnil Schwarzschildovo řešení na rotující objekty. Nadále se ale fyzikové klonili spíše k názoru, že černé díry jsou zajímavým, ale nerealistickým řešením obecné relativity.

V roce 1965 ukázal Roger Penrose, že při závěrečném kolapsu velmi hmotných hvězd není jiná alternativa než kolaps do černé díry s centrální singularitou. Černé díry by tedy měly skutečně ve vesmíru existovat. Černá díra samozřejmě nezáří, ale její bezprostřední okolí by mělo být extrémně svítivé – jde zejména o akreční disk a dva výtrysky kolimované z okolí díry magnetickým polem. Pojmenování černá díra pochází od Johna Archibalda Wheelera a je až z roku 1967. Předtím se takovým objektům říkalo „temné“ nebo „zamrzlé“ hvězdy“. Prvním lokalizovaným objektem tohoto typu je rentgenový zdroj v souhvězdí Labutě označovaný jako Cyg X1. Jde o téměř bodový zdroj v těsné úhlové blízkosti hvězdy Éta. Tento rentgenový zdroj byl znám od roku 1964. Podrobně byl zkoumán rentgenovými družicemi Uhuru a Einstein. Anglický astronom Paul Murdin v roce 1971 objekt ztotožnil s černou dírou o hmotnosti osmi Sluncí. Na skutečného objevitele první černé díry se ovšem ironií osudu při letošním rozdávání Nobelových cen nedostalo. Schwarzschildův poloměr této černé díry je pouhých 24 kilometrů. Černá díra je od nás vzdálená 6 000 světelných roků a září od rentgenového až po rádiový obor. Na rádiových frekvencích (například na vlně 21 centimetrů) jsou velmi dobře patrné rádiové laloky nacházející se na koncích výtrysků vyvrhovaných z okolí černé díry. První objevená díra je součástí dvojhvězdného systému. Druhou složkou je modrý obr s katalogovým označením HDE 226868. Z obra přetéká hmota do blízkosti černé díry a neustále zásobí její akreční disk další látkou. Dnes známe velké množství obdobných hvězdných černých děr a zvykli jsme si na to, že jde o běžné závěrečné období života hmotnějších hvězd.

Na počátku 90. let došlo k velkému překvapení. Hubblův dalekohledHST (Hubble Space Telescope) – Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnému určení Hubbleovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009. objevil několik obřích černých děr v centrech galaxií. Počáteční zděšení nad centrálními galaktickými monstry rychle přerostlo v rutinní hledání těchto hnacích motorů aktivních galaktických jader. Hned v 90. letech ukázal Reinherd Genzel se svou skupinou z MPIMPI – Max Planck Institute, největší síť vědeckých ústavů v Německu s po­boč­kami v mnoha velkých městech. Zahrnuje celkem 80 ústavů, jde o německou obdobu naší Akademie věd., že i ve středu naší Galaxie existuje obří černá díra. Třetí skupina černých děr (díry středních hmotností) byla objevena na podzim roku 2015, kdy se ukázalo, že první detekovaný záblesk gravitačních vlnGravitační vlna – periodicky se šířící zakřivení času a prostoru. Může vzniknout v okolí těles s nenulovým kvadrupólovým momentem, například kolem dvojice rotujících kompaktních hvězd. Právě tyto vlny by měly být nejběžnější a mít frekvenci od 0,1 mHz do 10 kHz. K první přímé detekci gravitačních vln došlo dne 14. září 2015. Gravitační záblesk ze splynutí dvou černých děr středních hmotností ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných roků zachytily oba americké přístroje LIGO. byl způsoben sloučením dvou černých děr středních hmotností. Černé díry se na astronomickém nebi doslova zabydlely a dnes je považujeme za běžnou součást vesmírného života.

Typický portrét černé díry. V okolí je plynoprachý akreční disk přecházející ve vnitřní části v horké plazma. Na vnitřní straně akrečního disku je poslední vnitřní stabilní orbita (ISCO) a probíhají zde rekonekce magnetických siločar vedoucí na kvazi­periodické oscilace (QPO). Ve směru rotační osy se vytvářejí magnetické trubice ženoucí částice ve dvou výtryscích do velké vzdálenosti od černé díry.

Naše černá díra

I naše Galaxie má ve svém středu černou díru, která byla po mnoha nejasnostech ztotožněna s rádiovým zdrojem Sgr A*. Její hmotnost je přibližně čtyři miliony Sluncí a nachází se ve směru souhvězdí Střelce ve vzdálenosti 26 tisíc světelných roků. Rozměr samotné černé díry se odhaduje na 12 milionů kilometrů (8 setin astronomické jednotky). Rádiový signál z této oblasti detekoval už americký inženýr s českými kořeny Karl Jansky (1905–1950), zakladatel radioastronomie, v roce 1933. Tehdy ovšem nikdo netušil, že signál pochází z černé díry. To navrhli až v roce 1969 britští teoretici Donald Lynden-Bell a Martin Rees. Od roku 1974 se o objektu pracovně uvažovalo jako o černé díře, ale definitivní důkaz stále chyběl. Kolem naší centrální veledíry obíhá větší množství hvězd, které lze považovat v jistém smyslu za hvězdokupu. Z drah těchto hvězd bylo možné přesně určit hmotnost centrálního objektu, ale úloha byla komplikována velkým množstvím plynu a prachu. Pohyby hvězd bylo možné sledovat jedině v infračerveném oboru. Hvězda s označením S2 byla sledována od roku 1992 a je prvním objektem, u něhož byl pozorován celý oběh kolem centrální veledíry. Perioda oběhu je 15,6 roku a hvězda se vrátila do stejné pozice v roce 2008. Pohyb této i ostatních hvězd detailně sledoval německý astronom Reinhard Genzel se svou skupinou. K pozorování využíval Keckův dalekohledKeck – Dvojice obřích, pohyblivých segmentovaných dalekohledů. Jsou umístěny na hoře Mauna Kea na Havajských ostrovech v nadmořské výšce 4 123 metrů. Každé zrcadlo je tvořeno 36 šestiúhelníkovými segmenty a má průměr 10 metrů. Keckovy dalekohledy byly uvedeny do provozu v letech 1993 a 1996., dalekohled VLTVLT – Very Large Telescope, čtveřice dalekohledů ESO postavená v Chile na Cerro Paranal (2635 m). Dalekohledy mají celistvá zrcadla o průměru 8,2 metru (Antú – 1998; Kueyen – 1999; Melipal – 2000; Yepun – 2001). Názvy zrcadel znamenají v Mapušštině Slunce, Měsíc, Jižní Kříž a Venuši. Sběrná plocha každého z velkých přístrojů je 53 metrů čtverečních. Dalekohledy jsou vybaveny systémem adaptivní a aktivní optiky. Další menší pomocné dalekohledy tvoří s hlavní čtveřicí výkonný interferometr o základně 200 m, jehož srdcem je od roku 2015 přístroj Gravity – interferometr druhé generace. Evropské jižní observatořeESO – European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere, zkráceně European Southern Observatory, Evropská jižní observatoř. Organizace byla založena v roce 1962. Postavila řadu dalekohledů v Chile. Jde o lokality La Silla (2 400 m), kde je dalekohled NTT, dále Cerro Paranal (2 635 m) s čtveřicí dalekohledů VLT a planinu Llano Chajnantor (5 080 m), kde se nachází radioteleskopická síť ALMA. V současnosti je v Chile budován Extra velký dalekohled ELT, který bude zprovozněn v roce 2014 a celooblohová Observatoř Very Rubinové, která bude v rutinním provozu od roku 2023. a dalekohled SOFIASOFIA – Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy, observatoř pro infračervená pozorování instalovaná na palubě Boeingu 747SP-21. Mezi její úspěchy patří objev iontu hydridu helia v planetární mlhovině NGC 7027 nebo pozorování zákrytu hvězdy trpasličí planetou Pluto. Letadlo bylo pokřtěno v roce 1977 vdovou po Charlesi Lindberghovi. V roce 1997 letadlo odkoupila NASA. Bylo přestaveno na observatoř a v roce 2007 pokřtěno na Clipper Lindbergh jeho vnukem. umístěný na palubě Boeingu 747. Pozorování v infračervené oblasti přinesla svůj výsledek a Genzel v 90. letech definitivně potvrdil, že centrální objekt je černou dírou. Obdobná pozorování prováděl také tým Andrey Ghezové z Kalifornské univerzity v Los AngelesUCLA – University of California at Los Angeles. Univerzita, která byla založena jako jižní část Kalifornské univerzity v roce 1919. pomocí Keckova dalekohledu. V roce 2018 prošla hvězda S2 pericentrem, v němž měla rychlost 2,55 % rychlosti světla (27 milionů kilometrů za hodinu, 7 650 kilometrů za sekundu). Genzel i Ghezová se svými skupinami tento průlet pozorovali.

Kolem centrální černé díry se nachází akreční disk, z něhož přicházejí kvaziperiodické záblesky, které se opakují po několika hodinách a trvají zhruba hodinu. U záblesků byla detekována kvaziperioda 17 až 22 minut, která řádově souhlasí s periodou oběhu částic na poslední stabilní orbitě (30 minut). Rozměr zdroje záblesků se odhaduje na 0,3 Schwarzschildova poloměru, což by odpovídalo typickým rozměrů oblasti, v níž dochází k přepojení magnetických siločar. Záblesky jsou detekovány v rentgenovém oboru (zdrojem by měl být inverzní Comptonův rozptylComptonův rozptyl – rozptyl fotonů (zpravidla RTG nebo gama záření) na volných elektronech. Při tomto rozptylu se snižuje energie fotonů. V akrečních discích černých děr probíhá inverzní Comptonův rozptyl, při kterém se nízkoenergetické fotony rozptylují na elektronech s vysokou energií. Při tomto procesu fotony energii získávají a mění se na rentgenové nebo gama fotony.) a v infračerveném oboru (zde je zdrojem synchrotronní zářeníSynchrotronní záření – záření generované relativistickými elektrony rotujícími kolem magnetických siločar nebo elektrony kmitajícími v měnícím se magnetickém poli. Jde o záření s výraznou polarizací, ze které je možné určit směr magnetického pole. Záření je polarizováno v rovině dráhy elektronu, soustředěno do úzkého kužele, vyzařováno v původním směru pohybující se částice a má spojité spektrum. elektronů).

Okolí centrální černé díry v naší Galaxii. Mapa, pohled v IR a RTG, oběh hvězdy S2
a umělecká vize. Zdroj: NASA/UCLA/MPI/Sky&Tel.

Roger Penrose (*1931)

Sir Roger Penrose, nositel Nobelovy ceny za zjištění, že černé díry jsou nutným
důsledkem obecné relativity a může jít o skutečné objekty.

Roger Penrose je britský matematický fyzik a matematik, jehož nejvýznamnější příspěvky se týkají obecné relativity a kosmologie. Penrose studoval matematiku a fyziku na Londýnské univerzitě, doktorát z algebraické geometrie získal v Cambridgi. Za svého aktivního vědeckého života pracoval na mnoha prestižních univerzitách a ústavech v Anglii a ve Spojených státech, například v Princetonu. V šedesátých letech 20. století nalezl zcela nové geometrické přístupy k obené relativitě. Na jejich základě zjistil mnoho vlastností černých děr a uklázal, že může jít o reálné objekty. V roce 1969 spolu s Hawkingem dokázal, že v rámci obecné relativity je singularita ve středu černé díry nevyhnutelná. Je autorem principu vesmírné cenzury (případné singularity jsou za horizontem a není možné jejich přímé pozorování). Penrose vyvinul metodu mapování časoprostoru v okolí černé díry (tzv. Penroseův diagram). Také dokázal existenci neperiodického úplného pokrytí roviny (Penroseovo pokrytí), v němž se rovina beze zbytku pokryje několika obrazci tak, že se vzor nikdy neopakuje. Penrose rozpracoval teorii twistorových polí. Penrose se také zabýval topologií vesmíru jako celku a navrhl experimentální možnosti, jak rozpoznat topologii konečného vesmíru z opakujících se obrazců. Penrose získal za svou práci obrovské množství nejrůznějších cen, například Adamsovu cenu (1966), Heinemanovu cenu (1971), Eddingtonovu medaili (1975), Královskou medaili (1985), Wolfovu cenu (1988), Diracovu medaili (1989), Naylorovu cenu (1991), De Morganovu medaili (2004), Copleyovu medaili (2008) a byl za své výzkumy povýšen do šlechtického stavu. Nejvyšší ocenění, polovinu Nobelovy cenu, získal v roce 2020 za důkaz, že černé díry jsou nutným důsledkem obecné relativity. Druhou polovinu získali Reinhard Genzel a Andrea Ghez za objev černé díry ve středu naší Galaxie.

Reinhard Genzel (*1952)

Reinhard Genzel, nositel Nobelovy ceny za objev obří černé díry v centru Galaxie.

Reinhard Genzel je německý experimentální astrofyzik, který se zabývá infračervenou a submilimetrovou astronomií, provozovanou jak pozemskými, tak kosmickými dalekohledy. Zajímá se zejména o vývoj aktivních galaxií a fyzikální vlastnosti jejich centrálních oblastí. Genzel vystudoval Bonnskou univerzitu, kde získal v roce 1978 doktorát. V roce 1980 obdržel Millerovo stipendium a začal pracovat na Kalifornské univerzitě v Berkeley. Do Evropy se vrátil v roce 1986 jako ředitel Ústavu Maxe Plancka pro mimozemskou fyziku (MPI für Extraterrestrische Physik). Stal se také čestným profesorem na Univerzitě Ludwiga Maximiliána v Mnichově. Na Kalifornskou univerzitu se vrátil v roce 1999 jako profesor na částečný úvazek. Za své rozsáhlé astrofyzikální výzkumy obdržel řadu medailí a cen, například medaili Otto Hahna, cenu prezidenta pro mladé výzkumníky (USA), Leibnizovu cenu, medaili de Vaucouleurse, Janssenovu cenu a mnohé další. Nejvyšší ocenění, polovinu Nobelovy cenu za fyziku, získal v roce 2020 spolu s Andreou Ghezovou za objev centrální černé díry v naší Galaxii. Druhou polovinu ceny získal sir Roger Penrose za důkaz, že černé díry jsou nutným důsledkem obecné relativity.

Andrea Ghez (*1965)

Andrea Ghez, nositelka Nobelovy ceny za objev obří černé díry v centru Galaxie.

Andrea Ghez je americká astronomka, která se specializuje na infračervenou a submilimetrovou astronomii. Je specialistkou na adaptivní optiku Keckova dalekohledu. Se svou skupinou detailně sledovala tímto přístrojem oběh hvězd (S2, SO-102) kolem centrální černé díry v naší Galaxii a nezávisle na Reinhardu Genzelovi potvrdila, že centrální objekt musí být černou dírou. Ghez vystudovala MIT (bakaláře) a CalTech (magistra a doktorát). Ghez se intenzivně věnuje popularizaci vědy (BBC, Discovery Channel...). Za svůj přínos astronomii obdržela řadu cen, například Sacklerovu cenu, Crafoordovu cenu a další. Nejvyšší ocenění, polovinu Nobelovy cenu za fyziku, získala v roce 2020 spolu s Reinhardem Genzelem za objev centrální černé díry v naší Galaxii. Druhou polovinu ceny získal sir Roger Penrose za důkaz, že černé díry jsou nutným důsledkem obecné relativity.

Odkazy