Pierwsze w historii zdjęcie czarnej dziury: z jakimi emocjami przeżyłem ten dzień

W środę 10 kwietnia 2019 r. zespół Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT) pokazał na konferencji w Waszyngtonie (i równocześnie w Brukseli, Santiago, Szanghaju, Taipei, Taiwanie i Tokio) po raz pierwszy w historii wykonany obraz czarnej dziury – supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki M87.

Fot. EHT Collaboration, ESO

Waszyngtońską konferencję prasową ETH oglądałem w Nordita w Sztokholmie. Nordita, założona przez Nielsa Bohra, jest małym, elitarnym, ośrodkiem fizyki teoretycznej, najważniejszym w Skandynawii.

To jeden z „moich uniwersytetów”: byłem tu przez trzy lata profesorem, a jeszcze dłużej a Nordic Fellow. Po pokazie rozmawialiśmy w fachowym gronie kolegów zajmujących się na co dzień teorią czarnych dziur o tym niezwykłym, epokowym, osiągnięciu współczesnej nauki. Wszyscy zgodziliśmy się co do tego, że nie przyniosło ono niespodzianek. Raz jeszcze, w już ponad sto lat trwającym paśmie sukcesów teorii względności, okazało się, że „Einstein ma rację”. Rzecz jasna, nie tyle sam Einstein, co wymyślona przez niego samotnie, teoretycznie, w głowie, genialna teoria, opisująca zjawisko grawitacji jako efekt zakrzywienia geometrii czasoprzestrzeni. Teoria Einsteina jest nie tylko bardzo piękna (oraz niesłychanie trudna), ale także jest nad podziw praktyczna, mocno zakorzeniona w realności świata. Pozwala na precyzyjne matematyczne modelowanie szczegółów wielu różnorodnych zjawisk. Tak więc kształty wyraźnie widocznych na obrazie EHT detali – świecącego dysku akrecyjnego z niesymetryczną jasną plamą i okrągłego cienia czarnej dziury pośrodku – zgadzają się doskonale z uprzednio wyliczonymi z teorii Einsteina matematycznymi modelami. Rozmiary cienia odpowiadają wcześniej wykonanym pomiarom masy czarnej dziury. Pomiarów masy dokonuje się na podstawie praw Keplera i zjawiska Dopplera – mierząc prędkości orbitalne gwiazd i gazu, krążących wokół centrum.

Zgodność widać na załączonym rysunku: po lewej pokazany jest teoretyczny model z pracy opublikowanej w  574. tomie Astronomy and Astrophysics (z roku 2015) przez Frederica Vincenta, Wenchi Yan, Odele Straub, Andrzeja Zdziarskiego i przeze mnie, po prawej –  zdjęcie  wykonane przez zespół EHT. Uwaga: w modelu teoretycznym brak fotonów kodowany jest kolorem białym – a to dlatego, iż  pozwala to na dostrzeżenie większej liczby szczegółów – tak więc to, co po lewej jest białe, po prawej jest czarne. Linie i kropki na rysunku po lewej dotyczą problemów, których tu nie omawiam. Nasz model nie jest wyjątkowy – wszystkie grupy badawcze, które potrafiły policzyć teoretyczne obrazy czarnej dziury i dysku akrecyjnego, uzyskały i opublikowały bardzo podobne wyniki.

Zgodność teoretycznych symulacji czarnej dziury z jej rzeczywistym obrazem Marek Abramowicz

Teoria Einsteina przeszła niedawno podobnie ważny test dotyczący bardzo silnej grawitacji. Mierzone od kilku lat przez zespół Ligo-Virgo charakterystyki fal grawitacyjnych wytworzonych w zderzeniach czarnych dziur, są dokładnie takie, jak przewiduje teoria względności. Wielu fizyków sądzi, że w końcu na pewno natrafimy na zjawiska, które nie dadzą się dokładnie opisać einsteinowskimi równaniami, bowiem do ich opisu potrzebna będzie teoria kwantowej grawitacji, dziś jeszcze nieznana. Czy takie zjawiska odkryje Teleskop Horyzontu Zdarzeń albo interferometry Ligo-Virgo? To by było wspaniale! Prawdę mówiąc na to wszyscy liczymy a wielu nawet najmłodszych adeptów fizyki, intensywnie pracuje nad pomysłami, jak to zrobić. W rozmowie w Nordita, po konferencji EHT, brało żywy udział kilkoro studentów. Jedna z nich, Włoszka, przyjechała niedawno do Nordita z zamiarem napisania tu pracy magisterskiej dotyczącej testowania „teorii f(R)”, alternatywnej wobec teorii Einsteina – testowania na podstawie przyszłych obserwacji EHT, dokładniejszych, bo wykonywanych większą niż obecnie liczbą radioteleskopów. To całkiem odpowiedni pomysł na magisterium, ale słuchając jej przez kwadrans zrozumiałem, że dla niej za łatwy. Jej od pierwszego wejrzenia rozpoznawalny talent matematyczny i już całkiem solidna wiedza, powinny zmierzyć się z zadaniem o wiele trudniejszym. Bowiem po pierwsze, opublikowano pewne wstępne prace na ten temat. Po drugie, jej praca polegałaby głównie na numerycznym wyliczaniu milionów trajektorii fotonów w zadanej geometrii – tego się każdy potrafi nauczyć. Przekonałem ją, że jeśli koniecznie chce pracować nad zastosowaniami teorii f(R), niech zajmie się innym problemem: policzeniem – w teorii f(R) – „podzwonnych” (tak Jean-Pierre Lasota pięknie przetłumaczył angielski termin “ringdowns”), czyli kształtu tłumionych fal grawitacyjnych pochodzących z oscylacji ultra-zwartych obiektów. Nie-einsteinowskie efekty w podzwonnych, jeśli istnieją, będzie można zapewne wyłapać w analizie danych Ligo-Virgo. Ten problem jest dobrym wstępnym ćwiczeniem dla kogoś, kto się chce na serio zająć fizyką teoretyczną: jest bowiem dostatecznie ciekawy i na pewno rozwiązywalny, choć nie każdy dobry student umiałby go rozwiązać. Jest także matematycznie bardzo trudny. No i trzeba się z nim zmierzyć samotnie.

Zapraszam na spotkanie z Maciejem Wielgusem z Uniwersytetu Harvarda, który po doktoracie na Politechnice Warszawskiej od kilku lat pracuje w zespole EHT. Spotkanie odbędzie się w Centrum Nauki Kopernik w Warszawie (ul. Wybrzeże Kościuszkowskie 20) w Sali Audytoryjnej w sobotę 27 kwietnia o godzinie 19:00. Szczegóły »


Marek Abramowicz
Profesor fizyki teoretycznej
Uniwersytet w Göteborgu