Moda na czarne dziury. p-Otwory
W latach 80. XX wieku astronomowie zaczęli śledzić ruchy gwiazd w pobliżu źródła fal radiowych w tym rejonie kosmosu. Zaobserwowali oni gwiazdy wirujące wokół ciemnego obiektu z prędkościami sięgającymi jednej trzeciej prędkości światła. Ich ruchy sugerowały, że w centrum Drogi Mlecznej znajduje się czarna dziura o masie ok. czterech milionów razy większej od masy Słońca. Za to odkrycie Reinhard Genzel i Andrea Ghez otrzymali później Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Nie da się zrobić bezpośredniego zdjęcia czarnej dziury, ponieważ żadne światło nie może uciec przed jej grawitacją. Można jednak zmierzyć fale radiowe emitowane przez gaz otaczający czarną dziurę. Czarne dziury są otoczone przez obłoki gazu, a astronomowie mogą obserwować i dokonywać pomiarów tego gazu, aby wnioskować o parametrach czarnych dziur znajdujących się w ich wnętrzu. Część gazu widocznego na zdjęciu znajduje się w rzeczywistości za Sagittariusem A*. Światło emitowane przez ten gaz jest zaginane przez potężną grawitację czarnej dziury w kierunku Ziemi. Efekt ten, zwany soczewkowaniem grawitacyjnym, jest jednym z głównych przewidywań ogólnej teorii względności.
Fale radiowe przechodzą przez gaz znacznie łatwiej niż światło widzialne, dlatego astronomowie dokonali detekcji emisji radiowych gazu otaczającego czarną dziurę. Pomarańczowe kolory na zdjęciu Sagittariusa A* to właśnie reprezentacja tych fal radiowych. Zespół wykorzystał osiem radioteleskopów rozmieszczonych na całym świecie.
Podczas nocnych serii obserwacyjnych w 2017 r. generowały tak dużo danych, że zespół nie mógł ich przesłać przez Internet. Trzeba było wysłać fizyczne dyski twarde do miejsca, w którym przetwarzano dane. Zespół naukowców użył superkomputerów do stworzenia milionów różnych obrazów, z których każdy był matematycznie realną wersją czarnej dziury, opartą na zebranych danych i prawach fizyki. Następnie wymieszano wszystkie te obrazy, aby uzyskać ostateczny, efektowny i dokładny obraz.
Do badań czarnych dziur fizycy mogą również wykorzystywać interferometry, takie jak Virgo we Włoszech i LIGO w Stanach Zjednoczonych. Wykrywają one fale grawitacyjne, które powstają w wyniku łączenia się czarnych dziur, co powoduje zaginanie czasoprzestrzeni. W 2015 r. astronomowie korzystający z Laserowego Interferometrycznego Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO) po raz pierwszy wykryli fale pochodzące od łączących się czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego.
Zakrzywienie przestrzeni, które więzi wszystko
Jako czarną dziurę określa się obszar czasoprzestrzeni, z którego, z uwagi na wpływ grawitacji, nic, łącznie ze światłem i informacją, nie może opuścić. Ogólna teoria względności opisuje grawitację jako zakrzywienie czasoprzestrzeni. W czasoprzestrzeni zakrzywionej ciała poruszają się po torach, które są liniami o ekstremalnej (najmniejszej lub największej) długości spośród wszystkich możliwych łuków łączących zadane punkty. Linie takie nazywamy geodezyjnymi.
W skrajnych przypadkach oddziaływanie grawitacji może być tak duże, że wszystkie linie geodezyjne wokół danego ciała są liniami zamkniętymi. Żadna z nich nie wychodzi poza pewien ograniczony fragment objętości przestrzeni, zwany horyzontem zdarzeń. Czarna dziura jest zatem obiektem, który znajduje się wewnątrz własnego horyzontu zdarzeń. Co więcej, ogromne zakrzywienie czasoprzestrzeni spowalnia upływ czasu aż do jego zaniku na zewnętrznej powierzchni czarnej dziury.
Zgodnie z ogólną teorią względności, do jej powstania niezbędne jest nagromadzenie dostatecznie dużej masy w odpowiednio małej objętości. Czarną dziurę otacza matematycznie zdefiniowana powierzchnia, nazywana horyzontem zdarzeń, która wyznacza granicę bez powrotu. Nazywa się ją "czarną", ponieważ pochłania całkowicie światło trafiające w horyzont, nie odbijając niczego, zupełnie jak ciało doskonale czarne w termodynamice. Kwantowa teoria pola przewiduje, że czarne dziury emitują promieniowanie jak ciało doskonale czarne o niezerowej temperaturze. Temperatura ta jest odwrotnie proporcjonalna do masy czarnej dziury, co sprawia, że bardzo trudno je zaobserwować w wypadku czarnych dziur o masie gwiazdowej bądź większych.
Jak już wspomnieliśmy, czarnych dziur nie można obserwować bezpośrednio. O ich obecności wnioskuje się na podstawie ich oddziaływania z otaczającą materią oraz światłem i innymi rodzajami promieniowania elektromagnetycznego. Opadająca na powierzchnię czarnej dziury materia może uformować dysk akrecyjny, generujący ogromne ilości promieniowania na skutek tarcia, jonizacji i silnego przyspieszenia wchłanianych cząstek.
Supermasywne czarne dziury w centrach aktywnych galaktyk, wokół których zachodzi proces akrecji, powodują ich bardzo silne świecenie, stąd też obiekty zawierające czarne dziury mogą należeć do najjaśniejszych we Wszechświecie. Czasami, gdy materia jest ciągnięta w kierunku czarnej dziury, odbija się od horyzontu zdarzeń i zostaje wyrzucona na zewnątrz, zamiast zostać wciągnięta do jej paszczy. Powstają wtedy jasne dżety materii poruszającej się z prędkościami bliskimi prędkościom relatywistycznym. Chociaż czarna dziura pozostaje niewidoczna, te potężne dżety mogą być widziane z bardzo daleka (2).
Ciekawostka teoretyczna, która nabrała wielkiego znaczenia
Istnienie obiektów o polu grawitacyjnym niepozwalającym na ucieczkę światła jako pierwsi rozważali już w XVIII wieku John Michell i Pierre Simon de Laplace. Niedługo po opublikowaniu w roku 1905 szczególnej teorii względności Einstein zaczął rozważać wpływ grawitacji na światło. Najpierw pokazał, że grawitacja oddziałuje na propagację fal elektromagnetycznych, a w roku 1915 sformułował ogólną teorię względności. Pierwsze rozwiązanie równania Einsteina ogólnej teorii względności przewidujące czarną dziurę znalazł w 1916 r. Karl Schwarzschild, jednak wówczas była to raczej tylko ciekawostka teoretyczna. Jednym z parametrów rozwiązania był promień Schwarzschilda. Sam Schwarzschild uważał go za niefizyczny.
W roku 1931 r. Subrahmanyan Chandrasekhar na przykładzie białego karła pokazał, że powyżej pewnej granicznej masy nic nie jest w stanie powstrzymać kolapsu gwiazdy. Idea ta nie wywołała dużego zainteresowania aż do lat 60. XX wieku Wówczas obserwacyjnie potwierdzono istnienie gwiazd neutronowych, co stanowiło przesłankę, że tego typu obiekty powstałe w wyniku zapadania grawitacyjnego mogą istnieć w rzeczywistości.
W 1963 r. Roy Kerr udoskonalił rozwiązanie Schwarzschilda, uwzględniając w nim rotację. Nawet w przypadku tak skomplikowanego obiektu, jakim jest masywna, rotująca czarna dziura (czarna dziura Kerra), po przekroczeniu (zewnętrznego) horyzontu zdarzeń, niezależnie od rodzaju materii lub promieniowania, z którego się składasz, spadniesz w kierunku centralnej osobliwości i zwiększysz masę czarnej dziury.
Zainteresowanie problemem wzrosło z chwilą odkrycia pulsarów w 1967 roku. Roger Penrose jako pierwszy opracował fizykę czasoprzestrzeni, obowiązującą wszystkich obserwatorów we wszystkich punktach przestrzeni i we wszystkich momentach czasu, która rządzi takim systemem. Od tamtej pory jego koncepcja jest złotym standardem w ogólnej teorii względności. I w końcu w 1969 John Archibald Wheeler zaproponował nazwę "czarna dziura".
Pierwszym obiektem uznanym za czarną dziurę był Cygnus X-1, układ dużej gwiazdy i czarnej dziury znajdujący się w Drodze Mlecznej w gwiazdozbiorze Łabędzia (3). Był to przedmiot koleżeńskiego zakładu z 1974 r. między Stephenem Hawkingiem a fizykiem Kipem Thorne’em, w którym Hawking twierdził, że źródło nie jest czarną dziurą. W 1990 r. Hawking przyznał się do porażki. Astronomowie dostrzegli pierwsze oznaki istnienia czarnej dziury w 1964 r., gdy wykryto źródło promieniowania rentgenowskiego. W 1971 roku astronomowie ustalili, że promienie X pochodzą od jasnej niebieskiej gwiazdy krążącej wokół tajemniczego obiektu, który z czasem został potwierdzony jako czarna dziura.
Najbliższa Ziemi czarna dziura nosi nazwę Jednorożec i znajduje się w odległości około 1500 lat świetlnych. Ten przydomek ma podwójne znaczenie. Nie dość, że kandydatka na czarną dziurę znajduje się w gwiazdozbiorze Jednorożca, to jej niewiarygodnie mała masa - około trzech razy większa od masy Słońca - czyni ją niemal jedyną w swoim rodzaju.
Małe, wielkie i te średnie
Według obliczeń opublikowanych w 2022 roku, w obserwowanym Wszechświecie znajduje się około 40 trylionów czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego. Wynika z tego, że około 1% zwykłej, czyli barionowej, materii znajduje się w gwiazdowych czarnych dziurach.
Do tej pory astronomowie zidentyfikowali trzy rodzaje czarnych dziur: gwiezdne czarne dziury, supermasywne czarne dziury i pośrednie czarne dziury.
Czarne dziury o masie gwiazdowej formują się w wyniku zapadania grawitacyjnego bardzo masywnych gwiazd pod koniec ich życia, co było omówione wyżej.
Kolejną wyodrębnianą kategorią są supermasywne czarne dziury o masach przekraczających miliony mas Słońca. Podejrzewa się, że takie czarne dziury znajdują się w centrach większości galaktyk. Wyróżnia się też czarne dziury o masie pośredniej między gwiazdowymi i supermasywnymi, zaś najcięższe czarne dziury nazywane są niekiedy ultramasywnymi (4).
Naukowcy nie są pewni, jak powstają tak duże czarne dziury. Jedno z przypuszczeń zakłada, że są efektem połączenia się setek lub tysięcy małych czarnych dziur. Odpowiedzialne za to mogą być również duże obłoki gazu, które zapadają się razem i szybko gromadzą masę. Trzecią możliwością jest zapadnięcie się gromady gwiazd razem. Jedna teorii przypuszcza, iż mogą powstawać z dużych skupisk ciemnej materii.
Badacze sądzili kiedyś, że czarne dziury mogą występować tylko albo w małych, albo w dużych rozmiarach, ale badania ujawniły możliwość istnienia średniej wielkości lub pośrednich czarnych dziur (IMBH). Takie ciała mogą powstawać, gdy gwiazdy w gromadzie zderzają się w reakcji łańcuchowej.
W 2014 r. astronomowie znaleźli coś, co wyglądało na średnio masywną czarną dziurę w ramieniu galaktyki spiralnej. Badania, z 2018 roku, sugerowały, że te IMBH mogą istnieć w sercu galaktyk karłowatych. Obserwacje dziesięciu takich galaktyk ujawniły aktywność promieniowania rentgenowskiego, powszechną w czarnych dziurach i sugerującą obecność czarnych dziur masach od 36 tys. do 316 tys. mas Słońca. Informacje te pochodzą z badania Sloan Digital Sky Survey, które bada około miliona galaktyk. W 2021 roku astronomowie odkryli taki typ czarnej dziury w starożytnym wybuchu promieniowania gamma.
Sto miliardów w samej Drodze Mlecznej
Czarne dziury o masach gwiazdowych najczęściej znajdowane są w układach podwójnych (5). Samotna czarna dziura byłaby bardzo trudna do zaobserwowania - jedynym śladem jej istnienia może być soczewkowanie grawitacyjne. W ciasnym układzie podwójnym czarna dziura jest otoczona materią, która na nią spada. Materia ta tworzy dysk akrecyjny, a zbliżając się do czarnej dziury, przyspiesza i poprzez zderzenia rozgrzewa się coraz bardziej, tak że zamienia znaczny procent swojej masy na energię, która rozchodzi się jako promieniowanie w szerokim zakresie, od promieni gamma i promieni X po fale radiowe (6), i czasami w postaci wysokoenergetycznych cząstek w dżetach. Stąd czarne dziury należą paradoksalnie do najjaśniejszych obiektów we Wszechświecie.
w zakresie widzialnym na dole, radiowym na górze po lewej,
i w rentgenowskim - na górze po prawej
Aby czarne dziury się połączyły, muszą znaleźć się blisko siebie, nie dalej niż około 1/5 odległości Ziemia - Słońce. Jednak proces zaczyna się znacznie wcześniej od dwóch masywnych gwiazd-przodków znajdujących się w dość dużej odległości od siebie. Gdy gwiazdy się rozszerzają, zbliżają się do siebie tak bardzo, że nie mogą się wydostać spod wspólnej grawitacji, zaczynając oddziaływać i transferować masy. Prowadzi to do dynamicznie niestabilnego zdarzenia, które otacza oba gwiezdne jądra gęstą chmurą gazu wodorowego. Potrzeba kilku milionów lat, aby powstały dwie czarne dziury, a potem miliardów lat, zanim czarne dziury połączą się i stworzą pojedynczą, większą czarną dziurę. Samo połączenie może być jednak szybkie i gwałtowne.
Według Space Telescope Science Institute mniej więcej jedna na tysiąc gwiazd jest wystarczająco masywna, aby stać się czarną dziurą. Ponieważ Droga Mleczna zawiera ponad 100 miliardów gwiazd, w naszej macierzystej Galaktyce musi znajdować się około 100 milionów czarnych dziur. W Drodze Mlecznej może znajdować się ponad sto milionów czarnych dziur, jednak wykrycie ich jest bardzo trudne. Liczba czarnych dziur o masach zbliżonych do Słońca w naszej galaktyce to ok. 100 milionów, ale liczba znanych źródeł rentgenowskich zawierających czarne dziury wynosi poniżej sto. Najsłynniejszym przedstawicielem tej grupy jest wspomniany Cygnus X-1.
W odległości wielu miliardów lat świetlnych od Ziemi astronomowie obserwują obiekty nazywane kwazarami (7). Istniały one niedługo po narodzinach Wszechświata i wytwarzały ogromne ilości energii. Obiekty te zawierają czarne dziury miliardy razy cięższe od Słońca. Narodziły się one w jądrach młodych galaktyk i zaczęły "pożerać" ogromne ilości materii. Bliskimi kuzynami kwazarów są inne aktywne galaktyki, w tym radiogalaktyki, w których dżety wytwarzane przy udziale masywnych czarnych dziur ciągną się na setki tysięcy lat świetlnych po obu stronach Galaktyki.
Kwantowe uczesanie
W 1972 Ja’akow Bekenstein jako pierwszy w przybliżeniu określił entropię czarnej dziury. Wywołało to wiele kontrowersji w świecie fizyki. Najważniejszą konsekwencją przyjęcia, że czarne dziury mają entropię, byłby fakt, że nie są one tak "czarne", jak dotychczas sądzono, mają temperaturę wyższą niż zero absolutne i jak wszystkie ciała gorące muszą emitować energię. Jednym z fizyków, którzy uważali, że Bekenstein się myli, był Stephen Hawking, który postanowił to matematycznie udowodnić. Ku własnemu zdziwieniu Hawking nie tylko potwierdził, że czarne dziury mają temperaturę, ale także dokładnie ustalił wielkość entropii czarnej dziury jako wynoszącą jedną czwartą pola powierzchni horyzontu zdarzeń, wyrażoną w jednostkach Plancka, pomnożonego przez stałą Boltzmanna. Wzór na entropię czarnej dziury powstał przy założeniu, że podczas spadania ciała do czarnej dziury jej masa rośnie i rośnie też jej entropia.
W 1976 r. Hawking zasugerował, że czarne dziury, wyparowując, niszczą informacje o tym, co je utworzyło. Ten pomysł jest sprzeczny z podstawowym prawem mechaniki kwantowej, które mówi, że każdy proces w fizyce można matematycznie odwrócić. Wcześniej w latach 60. fizyk John Archibald Wheeler, omawiając brak obserwowalnych cech czarnych dziur poza ich masą całkowitą, spinem i ładunkiem, ukuł sformułowanie "czarne dziury nie mają włosów".
Jednak według najnowszych badań istnieje coś, co nazywa się "włosami kwantowymi". W pracy, opublikowanej kilka lat temu w czasopiśmie "Physical Review Letters", naukowcy wykazali, że czarne dziury są bardziej złożone, niż pierwotnie sądzono i zachowują informacje o tym, jak powstały. Według nich, materia wpadająca do czarnej dziury pozostawia ślad w jej polu grawitacyjnym, określany mianem "kwantowego włosa". W pracy, opublikowanej w "Physics Letters B", profesor Xavier Calmet z uniwersytetu w Sussex oraz profesor Stephen Hsu z uniwersytetu Michigan twierdzą, że "włosy kwantowe" rozwiązują paradoks informacyjny czarnej dziury Hawkinga.
Kluczowym aspektem jest to, że czarne dziury powstają w wyniku zapadania się zwartych obiektów, a wtedy, zgodnie z teorią kwantową, nie ma absolutnej separacji między wnętrzem a zewnętrzem czarnej dziury. W teorii klasycznej horyzont zdarzeń działa jak doskonała jednokierunkowa membrana, która niczego nie przepuszcza. Jednak w teorii kwantowej stan materii, która ulega kolapsowi i tworzy czarną dziurę, nadal wpływa na stan zewnętrzny i jest to właśnie "kwantowy włos".
Wielu fizyków, gdy ich zapytać, opowiada się za zasadą kwantową i podejrzewa, że informacja w jakiś sposób ucieka w promieniowaniu czarnej dziury, które w tym przypadku nie jest przypadkowe, jak to twierdził kiedyś Hawking. Jednak nie ma silnego dowodu, że zmarły słynny fizyk się mylił. Choć jest sporo pomysłów na wskazanie sposobu "wycieku" informacji z czarnych dziur, nie ma wyjaśnienia, dlaczego i jak to się dzieje.
Pod koniec sierpnia 2019 ukazała się praca proponująca nowy sposób myślenia o matematyce Hawkinga. Opiera się na teoriach h, w których wnętrze i zewnętrze czarnej dziury są powiązane ze sobą w podobny sposób jak obraz holograficzny z powierzchnią. Ponieważ przenosi to w sposób nieprzypadkowy informację, rozwiązuje zarazem paradoks Hawkinga. Badacze widzą w czarnej dziurze coś w rodzaju hologramu w hologramie, gdzie z pola kwantowego obraz przenoszony jest na powierzchnię, zaś ona sama jest odpowiednikiem obrazu rzeczywistości w 3D.
Opublikowane w ub. roku wyniki badań przeprowadzonych na Uniwersytecie Michigan sugerując, że czarne dziury są po prostu hologramami. Badania, którymi kieruje Enrico Rinaldi, opierają się na idei znanej jako dualizm holograficzny. Zgodnie z nią teoria grawitacji i teoria cząstek są matematycznie takie same.
Nasze wyobrażenie o wnętrzu czarnej dziury opiera się na teorii grawitacji. Czasoprzestrzeń przemieszcza się do i przez czarną dziurę z zewnątrz. Zewnętrzna strona czarnej dziury nie jest jednak obliczana w taki sam sposób jak wewnętrzna. Zewnętrzna strona czarnej dziury jest postrzegana jako płaska, mimo że jej wnętrze działa w przestrzeni trójwymiarowej. Wnętrze czarnej dziury ma takie przyciąganie grawitacyjne, że nie jesteśmy w stanie zobaczyć tego, co się dzieje, naszymi ludzkimi oczami. Model ten musi być obliczony matematycznie.
Jak sugeruje Rinaldi, sposób, w jaki postrzegamy to, co dzieje się we wnętrzu czarnej dziury, najlepiej opisać za pomocą projekcji holograficznej. Hologram - w tym przypadku - to płaski (2D) obraz, który pokazuje nam obraz w trzech wymiarach (3D). Wykorzystując modele macierzy kwantowej do bada-nia powiązań między teorią grawitacji a teorią cząstek, naukowcy opisali czarną dziurę z trójwymiarowym centrum, które widzimy dzięki cząstkom obliczanym w dwóch wymiarach (8).
na dwuwymiarowej powierzchni
Pojęcie zasady holograficznej odkrył w 1997 r. argentyński fizyk teoretyczny Juan Maldacena. Według niego zdarzenia zachodzące wewnątrz przestrzeni z grawitacją (takiej jak czarna dziura) są matematycznie równoważne zdarzeniom bez grawitacji, które zachodzą na powierzchni tej przestrzeni i dotyczą cząstek. Innymi słowy, teoria dualizmu holograficznego może stanowić sekretny łącznik między fizyką cząstek, z których zbudowana jest cała materia, a ogólną teorią względności Einsteina, według której grawitacja wynika z zakrzywienia przestrzeni i czasu.
Spaghetti bez zasysania
Jednym z popularnych rozważań jest szukanie odpowiedzi na pytanie, co dzieje się z obiektem spadającym na czarna dziurę, choćby np. człowiekiem. Najczęściej uważa się, że grawitacja rozciągnęłaby człowieka jak spaghetti, choć jego śmierć nastąpiłaby, zanim dotarłby do osobliwości. Jednak nie wszyscy tak sądzą. Badania opublikowane w 2012 r. w czasopiśmie "Nature" sugerowały, że efekty kwantowe mogą sprawić, że horyzont zdarzeń będzie działał jak ściana ognia, która natychmiast spaliłaby na śmierć delikwenta, bez żadnych tortur makaronowych.
Wbrew obiegowym mitom, czarne dziury nie zasysają. Ssanie jest spowodowane wciągnięciem czegoś do próżni, którą masywna czarna dziura zdecydowanie nie jest. Zamiast tego obiekty opadają na nie tak samo, jak na wszystko, co wywiera grawitację, np. do Ziemi. Są bardzo masywnymi obiektami, które oddziałują grawitacyjnie, tak samo jak każdy obiekt w kosmosie, który ma masę. Im większa masa, tym silniejsze działanie grawitacji. Ta z kolei, co wiemy chociażby z przykładu wpływu Księżyca na Ziemię, wywołuje siły pływowe.
Chociaż prawdą jest, że tkanka przestrzeni jest zakrzywiona przez obecność masy, a czarne dziury oferują największą koncentrację masy we Wszechświecie, prawdą jest również, że gęstość tej masy nie ma znaczenia dla tego, jak zakrzywiona jest przestrzeń.
Gdyby zastąpić Słońce białym karłem, gwiazdą neutronową lub czarną dziurą o tej samej masie, siła grawitacyjna działająca na Ziemię nie byłaby inna. Jest to masa całkowita, która zakrzywia przestrzeń wokół ciebie. Gęstość nie ma z nią praktycznie nic wspólnego. Czarna dziura działa po prostu jak atraktor, a zbliżające się do niej obiekty będą miały takie same orbity, jakie normalnie by miały - koliste, eliptyczne, paraboliczne czy hiperboliczne. Ze względu na siły pływowe zbliżające się do czarnej dziury obiekty mogą zostać rozerwane na strzępy, a ze względu na materię, gromadzącą się wokół czarnej dziury w postaci dysku akrecyjnego, mogą wystąpić dodatkowe efekty, np. działanie pól magnetycznych oraz tarcie i nagrzewanie. Część materii, biorąc pod uwagę te dodatkowe oddziaływania, prawdopodobnie zostanie spowolniona i ostatecznie wchłonięta przez czarną dziurę. Ale nie jest to zasysanie do czarnej dziury, tylko zjawisko niczym nieróżniące się od zderzenia dwóch obiektów kosmicznych.
Saturn, gdyby zastąpić Słońce czarną dziurą, która jest około 4 mln razy masywniejsza od Słońca, zostałby rozerwany przez siły pływowe i utworzyłby w układzie ogromny pierścień, który stałby się częścią dysku akrecyjnego. Przy wystarczającym tarciu, ogrzewaniu i przyspieszaniu w obecności pól grawitacyjnych, elektrycznych i magnetycznych, które generuje cała materia, w końcu rozdrobniona materia Saturna wpadłaby do środka.
Kłopotliwa osobliwość
Współczesna nauka nie potrafi opisać zjawisk fizycznych zachodzących w osobliwości wewnątrz czarnej dziury. Może się np. okazać, że w głębi czarnej dziury materia nie jest ściśnięta do nieskończenie małego punktu. Zamiast tego może tam istnieć najmniejsza możliwa konfiguracja materii, najmniejsza możliwa jednostka objętości. Nazywa się to gwiazdą Plancka i jest teoretyczną możliwością przewidzianą przez pętlową grawitację kwantową, która sama w sobie jest wysoce hipotetyczną propozycją stworzenia kwantowej wersji grawitacji.
W świecie pętlowej grawitacji kwantowej przestrzeń i czas są skwantowane - otaczający nas Wszechświat składa się z małych, dyskretnych kawałków, ale w tak małej skali, że nasze ruchy wydają się płynne i ciągłe. Ta teoretyczna kawałkowatość czasoprzestrzeni przynosi dwie korzyści. Po pierwsze, obiecuje spełnienie dążenia mechaniki kwantowej do wyjaśnienia w naturalny sposób grawitacji. A po drugie, uniemożliwia powstawanie osobliwości wewnątrz czarnych dziur, uniemożliwia materii osiągnięcie rozmiarów mniejszych niż długość Plancka (około 1,68 razy 10-35 metra). Cała materia, która kiedykolwiek wpadła do czarnej dziury, zostaje ściśnięta w kulę niewiele większą od niej. Mała, ale nie nieskończenie małą.
Opór przed dalszym ściskaniem w końcu zmusza materię do rozpadu (tj. eksplozji), co w konsekwencji sprawia, że czarne dziury byłyby obiektami tymczasowymi. Jednak z powodu ekstremalnych efektów dylatacji czasu wokół czarnych dziur, z naszej perspektywy w zewnętrznym Wszechświecie mijają miliardy, a nawet biliony lat, zanim dojdzie do ich wybuchu.
Inną próbą wyeliminowania osobliwości jest tzw. grawastar, który ma być wypełniony ciemną energią. Polski fizyk Paweł O. Mazur oraz Emil Mottola ogłosili w 2001 r. teorię grawastarów jako teorię alternatywną w stosunku do istnienia czarnych dziur w ogóle. Potem George Chapline spopularyzował teorię Mazura-Mottoli, sugerując, iż obiekty uważane za czarne dziury są właściwie gwiazdami z ciemną energią (grawastarami).
Ciemna energia to substancja, która przenika czasoprzestrzeń, powodując jej rozszerzanie się. Gdy materia spada na grawastar, nie jest w stanie przeniknąć przez horyzont zdarzeń. W środku grawastaru jest ciemna, skoncentrowana energia, której ciśnienie nie dopuszcza do tego, by grawastar utworzył czarną dziurę. Jednak poza tą powierzchnią grawastary wyglądają i zachowują się jak normalne czarne dziury. Wszelako ostatnie obserwacje łączących się czarnych dziur za pomocą detektorów fal grawitacyjnych zdają się wykluczać istnienie grawastarów.
Czarne dziury stają się jeszcze bardziej interesujące, gdy wirują. Obrót czarnej dziury rozciąga osobliwość na pierścień. A zgodnie z matematyką ogólnej teorii względności Einsteina po przejściu przez pierścieniową osobliwość wchodzimy w tunel czasoprzestrzenny i wydostajemy się przez białą dziurę (biegunowe przeciwieństwo czarnej dziury, do której nic nie może się dostać, a materia ucieka z niej z prędkością światła) do… czyżby nowego Wszechświata?
To jednak tylko spekulacje. Jest inny problem fizyczny z wirującymi czarnymi dziurami. Osobliwość, rozciągnięta w pierścień, obraca się w tak szybkim tempie, że oddziałuje na nią potężna siła odśrodkowa, która działa jak antygrawitacja - popycha, a nie przyciąga. Tworzy to granicę wewnątrz czarnej dziury, zwaną horyzontem wewnętrznym. Na zewnątrz tego obszaru promieniowanie wpada do środka w kierunku osobliwości, zmuszone do tego przez ekstremalne przyciąganie grawitacyjne. Jednak w pobliżu pierścieniowej osobliwości promieniowanie jest wypychane przez antygrawitację, a punktem zwrotnym jest wewnętrzny horyzont. Co to może oznaczać? Wydaje się, że jeszcze większą osobliwość, a chyba nie o to chodziło.
Analizy wirowania i osobliwości to nie koniec anomalii i niespodzianek, jakie przynoszą badania czarnych dziur w ostatnim czasie, np. astronomowie z uniwersytetu w Kapsztadzie w RPA poinformowali kilka lat temu o odkryciu grupy masywnych czarnych dziur zaobserwowanych w odległych częściach Wszechświata, obracających się w tym samym kierunku. Analiza nietypowego zjawiska była możliwa dzięki trzyletnim obserwacjom nieba w regionie ELAIS-N1 przy użyciu fal radiowych. Uznaje się to za jedno z najbardziej zadziwiających odkryć w ostatnich latach. "Jako że czarne dziury nie wiedzą o swoim istnieniu i nie mają żadnej metody wymiany informacji ani wpływania na siebie, ze względu na dzielące je wielkie odległości, skoordynowanie kierunku obrotu musiało zostać zaprogramowane na wczesnym etapie formowania się galaktyki, u początków Wszechświata", pisze w publikacji na ten temat Andrew Russ Taylor, jej współautor. Oznacza to, że spójne wirowane struktur na tak ogromnej przestrzeni wynika z pierwotnych fluktuacji mas, które spowodowały pojawienie się wielkich megastruktur we Wszechświecie.
Jak widać, czarne dziury to wciąż obiekty bardzo zagadkowe. Może dlatego fizycy postanowili skojarzyć je z czymś jeszcze bardziej zagadkowym - ciemną materią. Masha Baryakhtar z Instytutu Fizyki Teoretycznej Perimeter w Waterloo ogłosił niedawno hipotezę, że czarne dziury mogą emitować aksjony, cząstki miliardy razy lżejsze od elektronu, które mogą oddziaływać grawitacyjnie. Na razie to czysta teoria, ale wielu fizykom podobałaby się taka wielka kosmiczna unifikacja.
Wyrzutki z galaktyki
Od niedawna uczeni nabierają przekonania, że galaktyka może "pozbyć się" czarnej dziury w określonych okolicznościach. Międzynarodowy zespół astronomów korzystający z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a odkrył supermasywną czarną dziurę, która została wyrzucona z centrum odległej galaktyki 3C186. Czarna dziura została najprawdopodobniej wyrzucona przez fale grawitacyjne. To pierwszy przypadek, kiedy astronomowie odkryli supermasywną czarną dziurę w tak dużej odległości od jej macierzystej galaktyki.
Zespół obliczył, że czarna dziura przemieściła się o 35 tys. lat świetlnych od centrum, co stanowi odległość większą od odległości Słońca od centrum Drogi Mlecznej. Co więcej, czarna dziura nadal ucieka z prędkością blisko 7,5 mln kilometrów na godzinę. Najbardziej prawdopodobnym źródłem energii do napędzenia tej supermasywnej czarnej dziury są fale grawitacyjne wyemitowane w trakcie łączenia dwóch masywnych czarnych dziur w centrum galaktyki. Według tej teorii, 1-2 miliardy lat temu obie galaktyki, w których centrach znajdowały się masywne czarne dziury, połączyły się ze sobą.
Czarne dziury zaczęły wirować wokół wspólnego środka masy w centrum nowo powstałej galaktyki eliptycznej, emitując przy tym fale grawitacyjne. Ponieważ czarne dziury nie miały podobnej masy i tempa rotacji, emitowały silniejsze fale grawitacyjne wzdłuż określonego kierunku. Gdy obie czarne dziury w końcu się połączyły, anizotropowa emisja fal grawitacyjnych sprawiła, że powstała w ten sposób czarna dziura została wyrzucona z centrum galaktyki.
Cytowany wyżej przykład nie jest jedynym przypadkiem wyrzutu czarnej dziury z centrum galaktyki. Galaktyka CID-42 prawdopodobnie zawiera masywną czarną dziurę wyrzucaną z prędkością kilku milionów km/h na godzinę. Obserwacje wykazały, że dwa źródła promieniowania rentgenowskiego oddalają się tam od siebie z prędkością około pięciu milionów kilometrów na godzinę, znacznie przekraczając prędkość ucieczki dla galaktyki o tej masie.
Dr Francesa Civano, prowadząca badania, powiedziała w 2012 roku: "Trudno uwierzyć, że supermasywna czarna dziura masie miliony razy większej od masy Słońca może się w ogóle poruszać, a co dopiero zostać wyrzucona z galaktyki z ogromną prędkością. Jednak nowe dane p-twierdzają tezę, że fale grawitacyjne mogą wywierać niezwykle potężną siłę".
Opublikowane 12 maja 2022 r. badania prowadzone przez dr. Vijaya Varmę wykazały, że fuzja czarnych dziur oznaczona GW200129, a wykryta w 2020 r., spowodowała, że najbardziej łącząca się czarna dziura, ze względu na względne właściwości czarnych dziur będących jej protoplastami, otrzymała niezwykle szybkiego "kopniaka" o prędkości około 1500 km/s. Dla porównania, aby uciec przed grawitacyjnym przyciąganiem Drogi Mlecznej, wystarczy poruszać się z prędkością około jednej trzeciej tej prędkości.
Dane o "wyrzucaniu" czarnych dziur z galaktyk prowadzą w ciekawy sposób do zagadnienia nietypowości "naszej" czarnej dziury Sagitarius A*. Wielka, masywna i imponująca jest ona tylko w porównaniu z innymi czarnymi dziurami w naszej Galaktyce. Gdy spojrzymy na inne duże galaktyki, takie, które pod względem rozmiarów są porównywalne z Drogą Mleczną, zauważymy, że nasza supermasywna czarna dziura jest raelatywnie mała i ma niewielką masę. Badacze nie wykluczają, że Droga Mleczna miała kiedyś w swoim jądrze większą, prawdziwie supermasywną czarną dziurę, ale ta została wyrzucona dawno temu.
Znana z urody galaktyka Sombrero, o średnicy około 30% średnicy Drogi Mlecznej, ma czarną dziurę masie ~1 miliarda mas Słońca. Andromeda, najbliższa Drodze Mlecznej i tylko nieco większa, ma czarną dziurę o masie ~230 milionów mas Słońca. NGC 5548, z aktywnym jądrem, ale jasnymi ramionami spiralnymi, ma masę około 70 milionów mas Słońca, porównywalną z pobliskimi galaktykami spiralnymi Messier 81 i Messier 58. Nawet Messier 82, znacznie mniejszy i o mniejszej masie niż nasza Droga Mleczna, ma czarną dziurę o masie 30 milionów mas Słońca. Spośród wszystkich znanych galaktyk spiralnych i eliptycznych, o których wiadomo, że są siedliskami supermasywnych czarnych dziur, galaktyka Drogi Mlecznej jest najmniej masywną. "Nasza" ma masę zaledwie cztery miliony razy większą niż Słońce i 26 mln km średnicy.
W przypadku naszej Galaktyki mamy całkiem solidne dowody na to, że w ciągu ostatnich ~11 miliardów lat naszej kosmicznej historii doszło do co najmniej pięciu znaczących fuzji. Na podstawie tej wiedzy oraz wiedzy tym, jak rosną galaktyki, można by oczekiwać, że supermasywna czarna dziura będzie miała masę co najmniej rzędu kilkudziesięciu milionów mas Słońca. A jednak dziś, jakieś ~11 miliardów lat później, nasza supermasywna czarna dziura ma mniej niż 2% masy supermasywnej czarnej dziury Andromedy.
Zatem wydaje się całkowicie prawdopodobne, że jakieś zdarzenie w Drodze Mlecznej w ciągu ostatnich ~11 miliardów lat spowodowało wyrzucenie jej początkowej centralnej, supermasywnej czarnej dziury. To, co obserwuje się dziś, może być pozostałością, która zdołała jedynie nieco odrosnąć w czasie, który upłynął od tego momentu.
Czarna dziura jako zwierzę pociągowe
Jeśli tradycyjna czarna dziura to nic innego, jak tylko wystarczająca ilość materii z kolapsu gwiazdy stłoczona w bardzo małym obszarze przestrzeni, to nawet najmniejsza czarna dziura zawierać powinna ogromne ilości energii, która jest równoważna masie. Wystarczy, aby zasilić statki kosmiczne przyszłości w ich podróżach międzygwiezdnych. Jest koncepcja stworzenia małej energetycznej czarnej dziury nazywanej kugelblitz za pomocą lasera lub koncentracji wiązki promieniowania słonecznego. Skupiając światło, rozgrzalibyśmy ten obszar przestrzeni do temperatury przekraczającej nawet tę, która panowała we Wszechświecie ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu. Przekroczyłaby ona temperaturę Planka, czyli 1,417×10³² K. Jeśli nam się to uda, niewielka czarna dziura będzie trwała przez następne pięć lat, wydzielając promieniowanie Hawkinga, które miałoby napędzić statki kosmiczne przyszłości. Mimo że ta hipotetyczna czarna dziura byłaby mniejsza od atomu, ważyłaby ponad 700 tys. ton i w ciągu swojego krótkiego życia wydzielałaby setki petawatów energii.
Są też inne pomysły na podróże międzygwiezdne z wykorzystaniem czarnych dziur, np. tzw. "napęd halo" (9). W tym scenariuszu statek wykorzystałby układ binarny czarnych dziur do napędu. W układzie tym wiązka laserowa krążąca wokół czarnej dziury odbierałaby energię, rozpędzając statek do prędkości relatywistycznych. Laser tworzyć miałby aureolę wokół czarnej dziury. Jeffrey S. Lee zaproponował z kolei użycie sfery Dysona wokół czarnej dziury. Przechwycona energia rozpędziłaby statek do prędkości 72% prędkości światła. Sfera Dysona otaczałaby czarną dziurę, energia przekazywana byłaby do silnika cieplnego statku kosmicznego.
Badania czarnych dziur, ich ekstremalnej potęgi, prowadzą, jak widać, do pomysłów zaprzęgnięcia tej nieokiełznanej i jeszcze przecież mało znanej siły natury do praktycznych zastosowań. Są też ostrzeżenia, że zabawa w tworzenie i próby ujeżdżania czarnych dziur skończą się dla nas nie najlepiej, np. zniknięciem ludzkości i naszej planety poza horyzontem zdarzeń. To, jak dobrze wiemy, może się zdarzyć i bez czarnej dziury, więc należałoby w tym względzie zachować spokój i dalej zdobywać wiedzę na temat tych fascynujących obiektów.
Mirosław Usidus
