NAGRODA NOBLA Z FIZYKI 2020

NAGRODA NOBLA z fizyki 2020

Konrad Szymański

informacje i ciekawostki o nagrodzie nobla

• nagrody wręczne są zawsze 10 grudnia - w rocznicę śmierci Alfreda Nobla (zdjęcie po prawej)
• po raz pierwszy nagroda została wręczona w Sztokholmie, w 1901 roku
• laureat otrzymuje nagrodę w postaci złotego medalu, dyplomu honorowego oraz gratyfikacji finansowej (w 2020 roku wyniosła ona ok. 4,3 mln złotych)
• do tej pory Nagrodę Nobla z fizyki przyznano 216 osobom, z czego tylko 4 kobietom
• pojedynczych nagród z fizyki przyznano 47, podwójnych 32, a potrójnych 35
• najstarszym laureatem Nagrody Nobla z fizyki był Arthur Ashkin (96 lat, w 2018 roku), a najmłodszym William Bragg (25 lat, w 1915 roku)

Alfred Nobel - fundator Nagrody Nobla

LAUREACI NAGRODY NOBLa z fizyki 2020

6 października 2020 roku Nagrodę Nobla z fizyki przyznano trzem osobom za odkrycia dotyczące jednego z najbardziej egzotycznych obiektów we wszechświecie - czarnej dziury.

Część obserwacyjna (eksperymentalna)

Część teoretyczna

Roger Penrose

Reinhard Genzel

Andrea Ghez

„za odkrycie, że tworzenie się czarnych dziur jest z pewnością przewidywane przez ogólną teorię względności”

„za odkrycie supermasywnego obiektu kompaktowego w centrum naszej galaktyki”

Ewolucja poglądu na czarne dziury

1965

1916

1915

koniec XVIII w.

1939

K. Schwarzschild

R. Penrose

J. MichellP. de Laplace

A. Einstein

R. OppenheimerH. Snyder

CZARNA DZIURA Wg ROGERA PENROSE'A

Rozwiązanie Schwarzschilda, zakładające sferyczną symetrię, potwierdzało teoretyczne istnienie czarnych dziur. Z tego rozwiązania korzystali również Oppenheimer i Snyder. Wielu fizyków (nawet Einstein) miało jednak wątpliwości, gdyż żaden obiekt we wszechświecie nie jest idealnie sferycznie symetryczny. Dopiero w 1965r. Roger Penrose w swojej pracy udowodnił, że powstanie czarnej dziury jest bezpośrednią konsekwencją ogólnej teorii względności, nawet jeśli warunek sferycznej symetrii nie jest spełniony.

• Czarna dziura - obszar czasoprzestrzeni o dużej masie ściśniętej w bardzo małej objętości, w którym siła grawitacji jest tak duża, że żadne cząstki ani promieniowanie elektromagnetyczne (np. światło) nie mogą się z niego wydostać (prędkość ucieczki > prędkość światła)

• Poza horyzontem zdarzeń - we wnętrzu czarnej dziury - czas zastępuje przestrzeń. Upływ czasu przenosi wszystko w kierunku osobliwości, położonej głęboko w środku czarnej dziury, gdzie gęstość jest nieskończona i czas się kończy.
• Jeśli na skutek kolapsu (zapadania się) wystarczająco gęstej materii, w czasoprzestrzeni powstanie tzw. powierzchnia złapana (powierzchnia o tej własności, że promienie światła wysyłane prostopadle na zewnątrz niej będą się zbiegać), powstanie osobowości (a więc czarnej dziury) jest nieuniknione.

OBSERWATOR

osobliwość

HORYZONT ZDARZEŃ

CZAS

przestrzeń

CZAS

zapadająca się gwiazda

MATERIA

Przekrój czarnej dziury wykonany na podstawie rysunków R. Penrose'a

CENTRA GALAKTYK

W 1963 roku astronomowie odkryli pierwsze kwazary - bardzo silne i zwarte źródła ciągłego promieniowania w szerokim zakresie fal - w jądrach odległych galaktyk. Okazało się, że świecą one mocniej od całej naszej galaktyki. Sformułowano hipotezę, że są one efektem rozpędzania się materii niemal do prędkości światła przez supermasywne czarne dziury (które mają masy od stu tysięcy do wielu miliardów mas Słońca). Naukowcy snuli teorie, że być może w centrach innych galaktyk również znajdują się takie obiekty. W latach 70' wykryto silne, niewidzialne, punktowe radioźródło w centrum Drogi Mlecznej - w gwiazdozbiorze Strzelca - nazwane Sagittarius A*. To właśnie za obserwacje dotyczące tego obiektu przyznano drugą połowę Nagrody Nobla w 2020 roku. Najłatwiej odkryć supermasywne czarne dziury w galaktykach aktywnych, ponieważ emitują one ogromne ilości energii w wyniku akrecji (opadania pod wpływem grawitacji) ogromnych ilości materii na czarną dziurę (przykład: zdjęcie po prawej stronie).

Zdjęcie cienia supermasywnej czarnej dziury w centrum aktywnej galaktyki M87, wygenerowane z obserwacji teleskopem EHT (Event Horizon Telescope) w 2019 roku.

obserwacje centrum drogi mlecznej

Niezależnie od siebie dwoje fizyków, przeprowadzając obserwacje przez prawie 30 lat, odkryło, że orbitami gwiazd w centrum naszej galaktyki rządzi niewidzialny i niezwykle ciężki obiekt, którego jednym wyjaśnieniem istnienia jest obecnie supermasywna czarna dziura.

Zespół Andrei Ghez

Zespół Reinharda Genzela

• prowadzi obserwacje od 1992 roku
• Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO) w Chile
• najpierw: New Technology Telescope (NTT); później: Very Large Telescope (VLT)

• prowadzi obserwacje od 1995 roku
• Obserwatorium Kecka na Hawajach
• 2 bliźniacze teleskopy o średnicy zwierciadeł 9,8 m

Keck Telescopes

Very Large Telescope (VLT)

• obydwa teleskopy składają się z 36 szcześciokątnych ruchomych segmentów o grubości 8 cm

• 4 bliźniacze Teleskopy Główne o średnicy zwierciadeł 8,2 m oraz 4 Teleskopy Pomocnicze o średnicy 1,8 m

OPTYKA ADAPTATYWNA

Podczas obserwacji Genzel i Ghez napotkali na dwa problemy - międzygwiazdowy pył i gaz, który zasłaniał im centrum Drogi Mlecznej w zakresie światła widzialnego oraz ziemską atmosferę, która drgała na skutek ruchów powietrza i uniemożliwiała precyzyjne ustalanie pozycji gwiazd krążących wokół centrum (zdjęcia były zniekształcone i rozmyte).Pierwszy z nich rozwiązali, używając teleskopów w innych długościach fali, przede wszystkim w bliskiej podczerwieni (promieniowanie podczerwone nie jest aż tak pochłaniane przez pył i gaz).W rozwiązywaniu drugiego, natomiast, pomogła im technika zwana optyką adaptatywną.

W górnych warstwach atmosfery za pomocą silnego laseru tworzy się sztuczną gwiazdę. Dzięki obserwacji tego obiektu teleskopem, komputer jest w stanie zastosować korektę, dostosowując kształt odkształcalnego zwierciadła tak, aby gwiazda była ostro widziana w ognisku. Te korekty, dokonywane w czasie rzeczywstym setki razy na sekundę, pozwalają wyeliminować wpływ atmosfery i przesuwanie się obrazu, wyraźnie zwiększając zdolność rozdzielczą teleskopu.

Schemat przedstawiający działanie optyki adaptatywnej

Zdjęcie centrum Galatyki w podczerwieni

GWIAZDA S2 (S02)

Naukowcy śledzili orbity około 30 najjaśniejszych gwiazd krążących wokół centrum Drogi Mlecznej. Jedną z zmapowanych orbit podczas obserwacji Ghez i Reinharda była orbita gwiazdy nazwanej S2 (s02). Ta gwiazda jest wyjątkowa, ponieważ można było zaobserwować jej cały obrót wokół ścisłego centrum (Sagittarius A*), który trwał niecałe 16 lat. Na podstawie parametrów orbit wielu gwiazd (m.in. S2 (S02)) poruszających się wokół centrum Galaktyki można było wyliczyć matematycznie masę obiektu Sagittarius A* (supermasywnej czarnej dziury), która wyniosła ok. 4 miliony mas Słońca. Masa ta jest upakowana w obszarze wielkości naszego Układu Słonecznego.

Prędkość radialna [km/s]

Wykres przedstawia zmieniającą się prędkość radialną gwiazdy S2(SO2) na przestrzeni lat. Biorąc pod uwagę dane z tego wykresu oraz dane dotyczące odległości gwiazdy od Sagittarius A*, prędkość radialna rośnie w miarę zbliżania się do obiektu, co jest spowodowane jego silnym oddziaływaniem grawitacyjnym.

Animacja eliptycznej orbity gwiazdy S2(SO2) uzyskana na podstawie wieloletnich obserwacji

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

Konrad Szymański