Od kvasarů k černým dírám

Od kvasarů k černým dírám

Fyzika / článek

V roce 2020 získal britský matematik a fyzik Roger Penrose Nobelovu cenu za fyziku. Podařilo se mu dokázat, že vznik černých děr potvrzuje Einsteinovu obecnou teorii relativity. Jeho práce vycházela z předchozího studia kvasarů, nejsvětlejších známých objektů ve vesmíru, o které se astronomové začali zajímat již v 60. letech. Roger Penrose se nechal inspirovat prací astronoma Maartena Schmidta, který před 60 lety, 5. února 1963, objevil při svých pozorováních velmi silný zdroj záření – kvasar – a podařilo se mu tento jev vysvětlit.

Objevitel kvasarů Maarten Schmidt
Objevitel kvasarů Maarten Schmidt

Maarten Schmidt se narodil v roce 1929 v nizozemském městě Groningen. Jeho otec byl vedoucí účetního oddělení nizozemské vlády v Haagu. Během druhé světové války, za německé okupace Holandska, byla díky otcově vysokému postavení rodina Schmidtů ušetřena nejhoršího zacházení, kterého se Holanďanům od německých okupantů dostávalo. I přesto ale byli Schmidtův otec i bratr zařazeni na nucené práce. Neúspěšný postup spojenecké armády koncem léta 1944 vedl k tomu, že nacisté rozebrali nizozemské železnice a železo poslali jako válečnou kořist do Německa. Zničení nizozemského dopravního systému mělo za následek rozsáhlý hladomor, který si vyžádal desítky tisíc životů.

V této těžké době se mladý Maarten zamiloval do astronomie. Díky nařízenému zatemňování oken bylo možné pozorovat noční oblohu i ve velkém městě. A tak se Maarten spolu se svým otcem často vydával na noční procházky potemnělým Groningenem. Jejich amatérská pozorování ale často narušovaly letecké poplachy. V roce 1942 jej otec vzal na návštěvu ke strýci, který byl amatérským astronomem. Maarten později vzpomínal, jak v horním patře lékárny pozoroval strýcovým dalekohledem oblohu. Pohled do okuláru astronomického dalekohledu ho prý uchvátil natolik, že si zanedlouho postavil vlastní aparaturu. V mládí také často navštěvoval groningenskou observatoř, kde se seznámil se svým pozdějším kolegou, astronomem Adiaanem Blaauwem.

Kanadské jednotky osvobodily Groningen v dubnu 1945. Po válce Schmidt dokončil střední školu a v roce 1946 se ve svém rodném městě zapsal na univerzitu. Není překvapením, že si ke studiu vybral fyziku, matematiku a astronomii. Po úspěšném dokončení studia získal pozici na univerzitě v Leidenu jako asistent astronoma Jana Oorta. Do Schmidtovy kariéry však zasáhla další válka – v důsledku konfliktu v Nizozemské východní Indii byl povolán do vojenské služby. Absolvoval však jen několikaměsíční základní výcvik a poté byl ze své povinnosti osvobozen, neboť indický konflikt mezitím utichl. Maarten Schmidt se tak mohl vrátit do Leidenu, kde na Oortovo doporučení začal studovat změny ve světelnosti hvězd. Výpočty a pozorování, která uskutečnil, přispěly k objevu hypotetického objektu, který je dnes popisovaný jako Oortův oblak komet kolem sluneční soustavy. Během svého působení na univerzitě Schmidt také absolvoval roční astronomickou expedici v Keni.

Doktorát dokončil v roce 1956 a poté jako postdoktorand strávil dva roky na Mount Wilson Observatory v kalifornské Pasadeně. Ve Spojených Státech pak zakotvil natrvalo, když se v roce 1959 stal profesorem na Kalifornském technologickém institutu. Na prestižním Caltechu prováděl pozorování pomocí 200palcového dalekohledu Palomar, studoval vznik hvězd a změny v zastoupení těžkých prvků ve vesmíru. Se vzestupem radioastronomie se i jeho zájem postupně přesouval k rádiovým zdrojům na noční obloze, čímž si otevřel cestu k objevu prvního kvasaru.

Kvasary totiž vyzařují velké množství záření na mnoha frekvencích, ale nejsou viditelným optickým zdrojem. Schmidta při jednom z pozorování zaujalo neobvyklé spektrum kvazi-hvězdného rádiového zdroje 3C273. Jeho emisní čáry na první pohled neodpovídaly žádným známým chemickým prvkům, Schmidt si ale uvědomil, že by mohlo jít o spektrální čáry vodíku, pokud by došlo k velmi vysokému červenému posunu. Červený posun spektrálních čar vodíku odhalil, že pozorovaný objekt musí být vzdálen zhruba tři miliardy světelných let.

Výsledky Schmidtových pozorování publikoval 16. března 1963 časopis Nature. Název kvasar pak jako první použil astrofyzik Hong-Yee Chiu v květnovém čísle Physics Today z roku 1964. I když pojmenování kvasar nebylo zprvu vědeckou komunitou široce přijímáno, Schmidtův objev znamenal významný pokrok ve výzkumu vesmíru.

Černé díry poprvé předpověděl německý fyzik Karl Schwarzschild v roce 1918. Odvodil je jako neobvyklé řešení rovnic Einsteinovy teorie relativity. Fyzici zpočátku předpokládali, že jde o čistě teoretické objekty, ale právě objev kvasarů existenci černých děr potvrdil. Hmota padající do masivní černé díry byla totiž jediným vysvětlení silného záření, které kvasary vyzařují. To později podnítilo Rogera Penrose, aby se zabýval vysvětlením vzniku černých děr. Jeho teorie byla následně podpořena mnoha astronomickými měřeními.

Objev prvního kvasaru byl zásadním krokem pro další zkoumání a snahy o pochopení vlastností a vývoje vesmíru. Díky kvasarům víme, že v raných stádiích vývoje vesmíru existovaly objekty, které produkovaly obrovské množství světla a energie. Jedná se zároveň o nejvzdálenější dosud objevené objekty ve vesmíru, které i nadále fascinují mnohé astronomy a nabízí vzrušující pohledy na černé díry.

V roce 2021 se konalo setkání Americké astronomické společnosti, na kterém vědci z univerzity v Arizoně oznámili objev dosud nejvzdálenějšího kvasaru J0313-1806. Ten se nachází 13,03 miliardy světelných let od Země a pochází z doby okolo 670 milionů let po velkém třesku. Kvasar je hostitelem černé díry o hmotnosti přibližně 1,6 miliardy našich Sluncí.

Maarten Schmidt prožil zbytek života ve Spojených státech. V letech 1978–1980 byl posledním ředitelem Hale Observatories před jejich rozdělením na dvě samostatné observatoře Palomar a Mount Wilson. Později byl zvolen prezidentem Americké astronomické společnosti, v jejímž čele stál dva roky. Dlouhá léta také působil v představenstvu americké Asociace univerzit pro astronomický výzkum a tři roky byl jejím předsedou. Do důchodu odešel v roce 1995. Zemřel 17. září loňského roku ve věku 92 let ve svém kalifornském domově.