Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Więcej czarnych dziur niż wyjaśniej

Więcej czarnych dziur niż wyjaśniej
80 procent - tyle światła ultrafioletowego "brakuje" w kosmosie. Stwierdzili to niedawno uczeni na podstawie obserwacji dokonanych za pomocą urządzenia Cosmic Origins Spectrograph, zainstalowanego w kosmicznym teleskopie Hubble'a. To znaczy, że powinno go być pięć razy więcej, niż rejestrujemy. To tylko jeden z wielu przykładów wciąż istniejących zagadek i tajemnic Wszechświata.

O brakującym promieniowaniu świadczy ilość kosmicznego zjonizowanego wodoru. Atomy musiały przecież skądś otrzymać fotony, które "wybiły elektrony" z orbit wokół jąder atomowych. Znane źródła światła - kwazary lub galaktyki - nie wystarczą do wyjaśnienia tak dużej ilości zjonizowanych atomów.

Oczywiście może to wynikać ze zbyt małej próby przestrzeni kosmicznej, którą się bierze do porównań. W większej skali bilans jonów i promieniowania może się zgadzać, co sugerują naukowcy. Zapytać jednak można, czy to nie oznacza przypadkiem, że kosmos nie jest jednorodny i gdzieś bardzo daleko różni się znacznie od tego, który widzimy w naszym sąsiedztwie?

Powracająca myśl o hologramie

Zasada holograficzna to teoria opracowana przez Gerardusa 't Hoofta i Leonarda Susskinda, która w swojej "silnej wersji" mówi, iż opis każdego trójwymiarowego ciała lub rejonu przestrzeni zawarty jest na dwuwymiarowej powierzchni otaczającej to ciało.

Graficzna reprezentacja eksperymentu holograficznego
1. Graficzna reprezentacja eksperymentu holograficznego

W bardziej spekulatywnej, "słabej wersji" głosi, iż cały Wszechświat może być postrzegany jako dwuwymiarowa struktura informacyjna "namalowana" na horyzoncie kosmologicznym. Zasada holograficzna może zostać użyta do wyjaśnienia paradoksu informacyjnego czarnych dziur w kontekście teorii strun.

Pomysł hologramu kosmicznego pochodzi od samego Stephena Hawkinga. W połowie lat 70. Hawking teoretycznie przewidział, że czarne dziury parują i z czasem zanikają. To parowanie to tzw. promieniowanie Hawkinga. Nie zawiera ono żadnych informacji o czarnej dziurze, a więc gdy ona wyparuje, wszystkie dane dotyczące gwiazdy, z której czarna dziura powstała, są na zawsze tracone.

Jest to jednak sprzeczne z szeroko przyjętym poglądem, że informacja nie może zostać zniszczona. W ten sposób powstał paradoks informacyjny czarnej dziury. Jacob Bekenstein, uczony z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie, postanowił rozwiązać ów paradoks. Jego zdaniem, entropia czarnej dziury, czyli synonim informacji, którą dziura zawiera, jest proporcjonalna do powierzchni jej horyzontu zdarzeń.

Horyzont zdarzeń to teoretyczny punkt, poza którym nie ma już powrotu, tzn. wszystko, co go przekroczy, jest wchłaniane przez czarną dziurę. Na podstawie teorii Hawkinga i Bekensteina, teoretycy uznali, że mikroskopijne fale kwantowe na horyzoncie zdarzeń mogą kodować informacje pochodzące z czarnej dziury. Oznacza to, że trójwymiarowa informacja o gwieździe, z której powstała czarna dziura, może zostać zakodowana w dwuwymiarowym horyzoncie zdarzeń czarnej dziury.

Susskind i Hooft rozszerzyli to na cały Wszechświat, przypuszczając, że ma on również swój horyzont zdarzeń. Jest nim miejsce, do którego zdążył się rozszerzyć w ciągu swojego istnienia. Naukowcy specjalizujący się w teorii strun zgadzają się z takim poglądem.

O zainicjowanym jeszcze latem 2014 r. eksperymencie oznaczonym kryptonimem Fermilab E-990 mówi się jako o "sprawdzającym, czy Wszechświat jest hologramem". Ma na celu wykazanie kwantowej natury samej przestrzeni i obecności czegoś, co naukowcy nazywają "holograficznym szumem".

Jak wiadomo, z kwantowej zasady nieoznaczoności Heisenberga wynika, że nie da się określić jednocześnie dokładnej lokalizacji i szybkości poruszania się cząstek elementarnych. Naukowcy chcą się teraz przekonać, czy także przestrzeń, w której materia przebywa, wibruje i porusza się, cechuje się taką sama nieoznaczonością, czyli również ma charakter kwantowy.

Gdyby miała charakter stały i nie podlegałaby fluktuacjom kwantowym, stanowiłaby punkt odniesienia teoretycznie pozwalający precyzyjnie opisać cząstki. Naukowcy jednak podejrzewają, że tak nie jest, a geometria przestrzeni również podlega takim fluktuacjom kwantowym, które nazywają właśnie "holograficznym szumem".

W planowanym w Fermilabie eksperymencie sprawdzić ma to urządzenie nazywane Holometer. Składa się z dwóch ustawionych obok siebie interferometrów wysyłających jednokilowatowe wiązki laserowe do urządzenia rozszczepiającego je na dwie prostopadłe wiązki o 40-metrowej długości.

Te następnie odbijają się i wracają do punktu rozszczepiania, tworząc fluktuacje w jasności promieni świetlnych. Jeśli wywołają one określony ruch w urządzeniu rozszczepiającym, dowodzić to będzie wibracji samej przestrzeni (1). Już w 2009 r. Craig Hogan, fizyk z tego samego Fermilabu, zaproponował teorię holograficzną na podstawie przeprowadzanych przezeń eksperymentów.

Stwierdził, że szum pochodzi z miejsca granicznego czasoprzestrzeni, w którym czas i przestrzeń przestają tworzyć kontinuum. Teoria hologramu dobrze tłumaczy niektóre paradoksy związane z czarnymi dziurami czy podstawowymi pojęciami dotyczącymi budowy Wszechświata.

Część naukowców proponuje jej rozszerzenie na całą rzeczywistość. Jednak jej przyjęcie oznaczałoby, że zgadzamy się z koncepcją, iż całe nasze codzienne doświadczenie to nic innego jak holograficzne odbicie fizycznego procesu zachodzącego w odległej dwuwymiarowej przestrzeni.

Evolved Laser Interferometer Space Antenna - eLISA
2. Evolved Laser Interferometer Space Antenna - eLISA

Dokładniej przyjrzeć się kosmosowi

Z "szumem" czasoprzestrzeni wiązane jest również istnienie pierwotnych fal grawitacyjnych. Ich głośne odkrycie przez astronomów i obserwatorium BICEP2, uważane przez niektórych za najważniejsze do tej pory naukowe wydarzenie stulecia, zostało wprawdzie już zakwestionowane, bo sceptycy uważają, że obserwacje nie biorą pod uwagę kosmicznego pyłu i dlatego mogą być błędne.

Jednak w praktyce nie unieważnia to odkrycia, tylko oznacza, że jego wyniki być może trzeba dodatkowo zweryfikować. Mówiono o nim jako o najlepszym potwierdzeniu ogólnej teorii względności i choć nie jest ono ani jedynym dowodem słuszności twierdzeń Alberta Einsteina, ani jak widać najsilniejszym, to wizja wielkiego fizyka musi być jeszcze wiele razy zweryfikowana, aby nie było wątpliwości, że stanowi najlepszy opis Wszechświata.

Naukowcy mają i będą mieć w najbliższych latach coraz więcej narzędzi do badania zjawisk znanych dotychczas głównie z teoretycznych spekulacji. Jedno z nich, o nazwie Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA) ma wykryć fale grawitacyjne powstające na skutek zderzeń ogromnych czarnych dziur (2).

Inne obserwatorium kosmiczne, Euclid, ma zbadać, w jaki sposób rozszerzał się Wszechświat i jaki ma to związek z ciemną materią oraz energią. Z kolei kosmiczny teleskop Athena ma rejestrować potężne źródła promieniowania rentgenowskiego na obrzeżach czarnych dziur. Na czarnych dziurach skupiać się będzie również naziemne obserwatorium Laser Interferometer Gravitational Observatory (LIGO).

Zaś sieć rozmieszczonych w różnych punktach globu teleskopów, zwana zbiorczo Event Horizon Telescope, może przyjrzeć się czarnej dziurze w centrum naszej Drogi Mlecznej. Największe nadzieje, jeśli chodzi o weryfikacje ogólnej teorii względności Einsteina, wiąże się z jeszcze innym obserwatorium - Square Kilometre Array (SKA).

Jak sama nazwa wskazuje, łączna powierzchnia anten tego kompleksu ma wynosić kilometr kwadratowy (3), a jego czułość ma przekraczać 50-krotnie możliwości urządzeń, które dotychczas znaliśmy. Składać się będzie z 4 tys. oddzielnych anten rozmieszczonych na terenach zachodniej Australii i południowej Afryki.

Wszystkie elementy tego systemu połączone będą światłowodami z wielkim superkomputerem, którego zadaniem będzie tworzenie całościowego obrazu. SKA działać zacznie najwcześniej w 2022r.

Square Kilometre Array
3. Square Kilometre Array

Wielkiemu Wybuchowi stanowcze - NIE!

Zanim jednak odpowiednio dokładne instrumenty naukowe dostarczą nam niebudzących wątpliwości danych, harcownicy astrofizyki teoretycznej mają pole do popisu. I potrafią zaszokować. O nowej teorii kosmologicznej autorstwa fizyków z Tajwanu można powiedzieć, że dostarcza nam coś za coś.

W ich modelu znika ciemna energia, dość kłopotliwa z punktu widzenia wielu badaczy. Za to, niestety, trzeba przyjąć, że Wszechświat nie ma ani początku, ani końca. Czyli nie było Wielkiego Wybuchu, do którego większość naukowców i zwykłych ludzi zdążyła się już przyzwyczaić!

Autor nowego modelu wszystkiego, Wun-Yi Shu z tajwańskiego Narodowego Uniwersytetu Tsing Hua, opisuje czas i przestrzeń nie jako elementy odrębne, lecz ściśle ze sobą powiązane, mogące zamieniać się wzajemnie, jedno w drugie.

Ani prędkość światła, ani stała grawitacyjna, nie są w tym modelu stałe, lecz stanowią czynniki przemiany czasu i masy w rozmiary i przestrzeń, co dzieje się w trakcie rozszerzania Wszechświata. Teoria Shu może być traktowana jako fantazjowanie, jednak "tradycyjny" model rozszerzającego się Wszechświata z aż 75 procentami ciemnej energii, która powoduje jego rozszerzanie, też przecież sprawia kłopoty.

Niektórzy zwracają uwagę, że w tej teorii naukowcy "zamietli pod dywan" fizyczne prawo zachowania energii. Teoria Tajwańczyka nie narusza zasad zachowania energii, ale z kolei ma kłopot z mikrofalowym promieniowaniem tła uważanym za relikt Wielkiego Wybuchu. Prace nad doskonaleniem jego teorii trwają.

 Multiwszechświat - jedna z artystycznych wizji
4. Multiwszechświat - jedna z artystycznych wizji

Konsekwentnym krytykiem teorii Wielkiego Wybuchu od wielu lat jest także hinduski uczony Abhas Mitra. Swoje prace publikuje w poważnych naukowych czasopismach, jednak większość naukowców go ignoruje. Podważa również istnienie czarnych dziur w takim kształcie, jak pojmuje je obecnie nauka.

Gdy wspominany już wcześniej Stephen Hawking zmodyfikował na początku 2014 r. swoją teorię na temat czarnych dziur, Mitra stwierdził, że słynny fizyk mówi teraz na temat tych obiektów to samo, co on sam głosi od wielu lat, dziwiąc się, że gdy jego się ignoruje, wystąpienie Hawkinga było tak szeroko komentowane.

Jak wiemy, Hawking twierdzi od niedawna, że jeden z najczęściej powtarzanych "pewników" na temat czarnych dziur - pojęcie horyzontu zdarzeń, spoza którego nic nie może się wydostać - jest niezgodny z fizyką kwantową.

Z eksperymentów teoretycznych przeprowadzonych przez fizyka Joe Polchinskiego z Instytutu Kavli w Kalifornii, wynika np., że jeśli ów nieprzekraczalny horyzont zdarzeń miałby pozostać w zgodzie z fizyką kwantową, musiałby być czymś w rodzaju ściany ognia, dezintegrującej cząstki.

Swoje nowe poglądy Hawking opublikował w Internecie, jako pracę "Zachowanie informacji i prognoza pogody dla czarnych dziur". Ewolucję poglądów dodatkowo wyjaśniał w rozmowie z "Nature". Nowa propozycja Hawkinga to "widoczny horyzont", w którym materia i energia przechowywane są tymczasowo, a potem uwalniane w zniekształconej formie.

Dokładniej mówiąc, jest to odejście od pojęcia wyraźnej granicy czarnej dziury. Fizyk w najnowszej pracy twierdzi, że wokół czarnej dziury nie tworzy się absolutny horyzont, a więc nigdy nie powstaje tam zamknięty obszar, spoza którego nic nie może uciec.

Zamiast tego istnieją wokół niej ogromne fluktuacje czasoprzestrzeni, w których trudno mówić o ostrym oddzieleniu czarnej dziury od otaczającej przestrzeni. Inną konsekwencją nowych pomysłów Hawkinga jest tymczasowość uwięzienia materii w czarnej dziurze, która może się "rozpuścić" i uwolnić wszystko ze swojego wnętrza. Informacja nie ginie więc, lecz wydostaje się, zanim czarna dziura całkiem wyparuje.

Multiwszechświat i wizje

Jeśli połączy się w naukowych rozważaniach dwa wielkie odkrycia - bozonu Higgsa z 2012 r. i tegoroczne, dokonane przez teleskop BICEP2, a dotyczące fal grawitacyjnych, potwierdzające inflacyjną fazę ekspansji Wszechświata, to… rezultaty mogą być zaskakujące.

Wizualizacja Wszechświata
5. Wizualizacja Wszechświata

Np. takie, że bez "czegoś jeszcze" Wszechświat nie trwałby zbyt długo. Brytyjscy uczeni z londyńskiego King's College ogłosili oto pracę, z której wynika, że jeśli wszystko, co znamy, istnieje w "polu Higgsa", które nadaje cząstkom masę, a obserwacje z BICEP2 są poprawne, to wprawdzie potwierdza się, że istniała faza inflacyjna "wypychająca" cząstki w pole Higgsa, ale Wszechświat trwałby wówczas nie dłużej niż sekundę!

Ponieważ tak się nie stało, musimy założyć istnienie dodatkowego "czegoś", jakiegoś elementu, dzięki któremu powstający w ten sposób Wszechświat nie zapadł się od razu w siebie na powrót. Tymczasem Wszechświat trwa już 13,8 miliarda lat.

"Jeśli to, co ukazał BICEP2, jest poprawne, to znaczy, że musi istnieć interesująca fizyka cząstek wykraczająca poza Model Standardowy" - komentuje Robert Hogan, jeden z autorów opracowania londyńskiej uczelni. Coraz popularniejsza staje się obecnie wizja multiwszechświata (4), w którym nasz Wszechświat jest tylko jednym z nieskończenie wielu innych, powstających niczym bąble w mydlanej pianie.

Czasoprzestrzeń byłaby wówczas znacznie szerszym pojęciem niż to, co obserwujemy w naszym bąbelku. Co ciekawe, ten wysoce spekulatywny koncept nie podważa teorii Einsteina, lecz stawia ją w zupełnie nowej perspektywie. Ta perspektywa to unifikacja teorii względności z mechaniką kwantową.

Oznaczałaby porzucenie pojęć ciągłej i rozciągliwej przestrzeni, która ewoluuje, wiruje i zakrzywia się, na rzecz czegoś fragmentarycznego i zatomizowanego. Nowa fizyka, która się z tego wyłoni, może być znacznie prostsza niż panujące obecnie teorie!

Znikną męczące naukę zagadki i paradoksy. Trudno jednak stwierdzić, czy ich miejsca nie zajmą inne, kolejne. Nowy stan Wszechświata byłby bowiem dla nas trudny do pojęcia, podobnie jak sytuacja przed Wielkim Wybuchem, gdy czasu, przynajmniej w takim sensie, w jakim możemy go postrzegać, nie było.

Póki nie mamy odpowiedzi i nawet jednego pewnego wyobrażenia na temat powstania, natury oraz przeznaczenia Wszechświata, wypada się przynajmniej pocieszyć ładnymi wizualizacjami... Choćby takimi, jak stworzona przez astronomów symulacja komputerowa Illustris.

Udało się w niej po raz pierwszy odtworzyć tak szczegółowo ewolucję kosmosu, od okresu zaraz po Wielkim Wybuchu, aż po czas obecny. Wykorzystane do tworzenia modelu superkomputery pracowały nad tym pół roku. Symulacja nie obejmuje co prawda całego Wszechświata, bo z tym jeszcze nasze maszyny sobie nie radzą.

Widzimy więc ewolucję kosmicznej materii, która wypełnia sześcian o krawędzi 350 mln lat świetlnych - to dostatecznie duży obszar, reprezentatywny dla całego kosmosu. Akcja zaczyna się 12 lat po Wielkim Wybuchu. Ukazuje zmiany zachodzące przez miliardy lat, tworzenie się galaktyk i większych struktur.

Do wykreowania tej symulacji wykorzystano całą zdobytą dotychczas przez naukę wiedzę o prawach rządzących kosmosem oraz rezultaty obserwacji teleskopowych, przede wszystkim teleskopu Hubble'a. Badacze uwzględnili w niej tajemniczą ciemną materię oraz ciemną energię.

Z upływem czasu ciemna materia zagęszczała się w grona i długie włókna (5), tworząc coś w rodzaju kosmicznej pajęczyny. Do tych zagęszczeń z czasem przyciągana była normalna materia - składająca się pierwotnie z mieszaniny wodoru i helu.

Z niej rodziły się obłoki międzygwiazdowego gazu, gwiazdy, galaktyki i gromady galaktyk. W wizualizacji przyjmują barwę od zielonej i czerwonej po białą, w zależności od temperatury. Nawet jeśli nie do końca tak to wyglądało, zaproponowana wizja jest niebrzydka…