Nobelova cena za fyziku 2020

Nobelova cena za fyziku 2020

Fyzika / článek

Minulé úterý oznámila Královská švédská akademie věd jména letošních laureátů Nobelovy ceny za fyziku. Nejprestižnější vědecké ocenění získali britský matematický fyzik Roger Penrose, německý astrofyzik Reinhard Genzel a americká astronomka Andrea Ghezová za výzkum černých děr.

Laureáti Nobelovy ceny za fyziku 2020. Zleva Roger Penrose, Reinhard Genzel a Andrea Ghezová (ilustrace: Nobel Media. III. Niklas Elmehed)
Laureáti Nobelovy ceny za fyziku 2020. Zleva Roger Penrose, Reinhard Genzel a Andrea Ghezová (ilustrace: Nobel Media. III. Niklas Elmehed)

Za přelomové objevy obdrží laureáti odměnu ve výši deseti milionů švédských korun (25,9 milionů Kč). Polovina z toho připadne Rogeru Penrosovi, o tu druhou se podělí Reinhard Genzel a Andrea Ghezová.

Penrose byl odměněn za práce, které vyústily v matematické potvrzení existence černých děr a v důsledku toho ve velmi významné potvrzení obecné teorie relativity. Genzel a Ghezová pak za výzkumy, v jejichž důsledku byl objeven supermasivní kompaktní objekt v centru naší galaxie.

Když se doktorky Andrey Ghezové po ohlášení výsledků reportéři zeptali, co se jí honilo hlavou, když uprostřed naší galaxie objevila obrovskou černou díru, zazněla z Ameriky odpověď, že to byly velké pochybnosti a také velké vzrušení. „Pochybnost spočívala v tom, jestli vidíme skutečně to, co vidíme. Ostatně pochybnosti a vzrušení cítíte vždy, když provádíte nějaký nový významný výzkum.“ Na dotaz, jak se cítí jako teprve čtvrtá žena vyznamenaná Nobelovou cenou v oblasti fyziky, odpověděla, že je pochopitelně nadšená a že si zároveň uvědomuje také zodpovědnost, kterou má nyní jako laureátka vůči dalším ženám, jež by mohla inspirovat. „Věda nabízí spoustu radosti a pokud jste zapálení, můžete mnoho dokázat.“

Již od 18. století fyzici spekulovali o existenci objektů tak masivních, že dokonce ani světlo není schopno překonat jejich gravitační přitažlivou sílu. To platilo až do počátků 20. století, kdy Albert Einstein zformuloval svou obecnou teorii relativity. Vědci tak díky němu získali matematické nástroje, pomocí nichž mohli zkoumat černé díry s matematickou přesností.

Jenže se objevily pochybnosti, jestli černé díry mohou v přírodě skutečně vznikat. Vyvolalo je v té době přesvědčení, že jakékoliv narušení dokonalé sférické symetrie objektu ho může ochránit před zhroucením do singularity - jednoho bodu v prostoru a čase. A to bylo nutno vzít v úvahu, protože rotující hvězdy nemají sférickou symetrii.

Teprve v roce 1965 vyvinul Roger Penrose nový matematický popis způsobu, jak by mohla hvězda kolabovat do černé díry, a nalezl tak přesvědčivý důkaz, že formování černé díry je v dokonalém souladu s obecnou relativitou. Zavedl termín „trapped surface“ (uzavřená hladina), který znamená, že všechny světelné paprsky kolmé k této hladině se v budoucnu sbíhají. Tato hladina se formuje v raných stadiích gravitačního kolapsu hvězdy. Jakmile je vytvořena, musí systém zkolabovat do singularity a posléze vytvořit černou díru. Penrose ukázal, že k tomuto procesu dochází bez ohledu na symetrii kolabujícího objektu.

Penroseova práce byla prvním vážným příspěvkem k obecné relativitě od dob Einsteina a inspirovala celé generace astrofyziků a astronomů k práci na teorii i skutečném nalezení černých děr. A byl to právě Penrose, kdo způsobil v šedesátých letech minulého století renesanci relativity zavedením nového matematického aparátu.

Někdy v polovině šedesátých let začali astronomové a astrofyzici uvažovat o tom, že světlo emitované z jasných oblastí v centrech některých galaxií je tvořeno hmotou padající do černých děr, které jsou milionkrát až miliardkrát hmotnějších než naše Slunce. Jenže dokázat, že tato jasná galaktická jádra (AGN) ukrývají černou díru, bylo velmi obtížné. Teleskopy neměly takovou rozlišovací schopnost, aby mohly odlišit černou díru od těsného shluku hvězd, které rovněž mohou v centrech galaxií svítit.

Cesta k řešení tohoto problému vede přes studium pohybů hvězd, které obíhají blízko galaktických jader. Pokud by hvězdy obíhaly kolem černé díry, jejich rychlosti by musely mít specifický vztah ke vzdálenosti od černé díry, stejně jako planety, které obíhají kolem Slunce. Ale v případě hvězd, které obíhají shluk hvězd, by měl být vztah mezi rychlostí a vzdáleností docela jiný.

Týmy, které vedli Reinhard Genzel a Andrea Ghezová, studovaly hvězdu, která oběhne jasné galaktické jádro v centru Mléčné drány za šestnáct let. Hvězda má velmi protáhlou eliptickou dráhu a dostane se až do blízkosti galaktického jádra, jehož vzdálenost je v tomto bodě pouhých 17 světelných hodin. Z analýz pohybu této hvězdy, provedených nezávisle oběma týmy, vyplývá, že hvězda obíhá kolem extrémně hustého objektu s hmotností rovnající se hmotnosti čtyř milionů Sluncí. Jediné přijatelné vysvětlení je, že v centru galaxie se nachází supermasivní černá díra.

Astrofyzička Laura Nuttallová, která studuje černé díry na univerzitě v Portsmouth, označila svého kolegu Penrose za synonymum pro černou díru. Jeho práce na objasnění vzniku černých děr a singularity ve středu černé díry podle ní významným způsobem posunuly bádání v mnoha oblastech včetně hledání gravitačních vln.

Práce letošních laureátů inspirovala mnoho dalších studií, příkladem může být Event Horizon Telescope, který v minulém roce jako jediný poskytl obrázek supermasivní černé díry. „Je skvělé, že dnes jejich poznatky vnímáme jako samozřejmost: samozřejmě že se černá díra tvoří splynutím hmoty a samozřejmě že v centru galaxie je černá díra. Je snadné zapomenout, že až donedávna jsme si tak jistí nebyli,“ dodává Nuttallová.

Andrea Ghezová se narodila v roce 1965 v New Yorku. Bakalářský titul ve fyzice získala v roce 1987 na MIT a doktorát obhájila v roce 1992 na California Institute of Technology. Po roce na University of Arizona přešla na University of California v Los Angeles, kde působí dosud.

Reinhard Genzel se narodil v roce 1952 v Bad Homburg vor der Höhe v Německu. Fyziku studoval na univerzitě ve Freiburgu a doktorát z radioastronomie obhájil v roce 1978 na univerzitě v Bonnu. Poté se přestěhoval do USA, kde dva roky působil v Harvard-Smithsonial Center for Astrophysics a poté pět let ve Space Sciences Laboratory při University of California v Berkeley. V roce 1986 se stal ředitelem Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics. Od roku 1999 působí zároveň na Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics a na University of California v Berkeley.

Roger Penrose se narodil v roce 1931 v Colchesteru ve Velké Británii. Bakalářský titul v matematice získal na University College London a doktorát z algebraické geometrie na University of Cambridge v roce 1957. Působil střídavě ve Velké Británii (King’s College London ) a v USA (Princeton University, Syracuse University, University of Texas at Austin ), aby nakonec zakotvil na Oxford University.

Zpracováno podle zprávy uveřejněné ve Physics World.

POZVÁNKA na živý stream přednášky Nobelova cena 2020 za černé díry, kterou povedou vědci z MFF UK a AsÚ AV ČR. Přednáška se uskuteční ve čtvrtek 22. října od 18:15 a sledovat ji bude možné online zde. Více informací a také rozpis dalších online seminářů najdete na stránkách ÚTF.


Mohlo by vás také zajímat:

Fyzici proti covidu
Pozorování vzácného jevu v CERN
„Sonický třesk“ pod zemí