Kosmiczne czarne dziury przez lata uchodziły za najbardziej tajemnicze obiekty we Wszechświecie. Obecnie przyjrzano im się tak dokładnie, że straciły swój dawny urok.
Istnienie czarnych dziur wynikało już de facto ze Szczególnej Teorii Względności Einsteina. Nad teoretycznymi rozważeniami na temat kolapsu gwiazd pracowali w latach trzydziestych fizycy Karl Schwarzschild i Subramanyan Chandrasekhar. Wówczas gwiazdę, która zapada się pod ciężarem własnej masy do tego stopnia, że przechwytuje emitowane przez nią światło, nazywano „zamrożonymi gwiazdami”. Po tym jak w wyniku obserwacji odkryto tzw. pulsary, czyli gwiazdy neutronowe, fizyk John Wheeler wprowadził w 1969 r. nazwę czarne dziury. Pulsary są zapadniętymi jądrami gwiazd, które odrzuciły swą zewnętrzną warstwę w wyniku wybuchu supernowej, ale nie są czarnymi dziurami. Czarne dziury to jeszcze bardziej radykalne stadium ewolucji gwiazd.
Długo podejrzewano, że te osobliwości – w których znane prawa fizyki są łamane – są zawsze ukryte za tzw. horyzontem zdarzeń, granicą, poza którą światło nie może uciec z powodu potężnego grawitacyjnego przyciągania czarnej dziury. Twórcą pojęcia był Chandrasekhar. Teoretycznie nie powinniśmy więc wiedzieć co się dzieje w przestrzeni objętej horyzontem zdarzeń, czyli w czarnej dziurze. Jest to podobne do tego, co fizyk Roger Penrose nazwał w 1969 roku „kosmiczną cenzurą”, która chroni nas przed koniecznością przyglądania się czemuś, o czym nie ośmielilibyśmy się nawet pomyśleć. Według ogólnej teorii względności Einsteina wewnątrz czarnej dziury jej ciągłe załamania tworzą nieskończenie mały i nieskończenie gęsty punkt, w którym sama przestrzeń jest załamana. Nawet przyczynowość – relacja między przyczyną a skutkiem – jest załamana, co wydaje się przeciwstawiać nie tylko fizyce, ale i logice.
Fizycy zastanawiali się jednak, czy horyzonty zdarzeń są na tyle rozszczepione, aby ogołocić te absurdalne osobliwości. Na przykład może być tak, że horyzont zdarzeń mógłby zaniknąć, gdyby czarna dziura obracała się bardzo szybko. Światło i materia mogłyby zostać wtedy wyrzucone przez siłę odśrodkową. W końcu fizycy zaproponowali, że rozpad osobliwości wywołany przez szybką rotację powinien być wykrywany przez astronomów, ponieważ rozpady takie przypominają bardzo silne „soczewki grawitacyjne”, uginające światło pochodzące od gwiazd poprzez wypaczenie czasoprzestrzeni. Naładowana elektrycznie czarna dziura mogłaby się obracać wystarczająco szybko, by utracić swój horyzont zdarzeń. Cząsteczki kwantowe mają dziwną własność bycia zdolnymi do „przekopywania się” przez bariery, choć według klasycznej mechaniki mają niewystarczającą energię, by przez nie przejść. Nazywa się to efektem tunelowym. Naukowcy podejrzewali, że istniejące teleskopy powinny mieć dostateczną rozdzielczość przestrzenną, by wykryć obnażone osobliwości wewnątrz Drogi Mlecznej. Na razie jednak niczego takiego faktycznie nie zaobserwowano.
Podczas gdy klasyczne cząsteczki z wystarczającym do przyspieszenia czarnej dziury momentem kątowym nie mogą przejść do wnętrza horyzontu zdarzeń, fizycy odkryli, że cząsteczki kwantowe mogą „wykopać” tunel wewnątrz horyzontu i uczynić czarną dziurę nagą. Wynik badań nie oznacza od razu, że kosmiczną cenzurę da się naruszyć w rzeczywistości, ponieważ teoria kwantowa jest niekompletna. Ogólna teoria względności, która objaśnia grawitację i powstawanie czarnych dziur, oraz teoria o mechanizmach kwantowych są zasadniczo niezgodne i fizycy spodziewają się, że będą mogli w końcu pogodzić teorię grawitacji kwantowej.
Książka „Kto zbudował Księżyc”
Źródło grafiki: pixabay.com
Od jakiegoś czasu wiadomo, że niemal wszystkie galaktyki mają w swoich centrach supermasywne czarne dziury. NGC 3393 wymknęła się poza schemat, posiadając aż dwie czarne dziury po środku.
W niedawnym numerze Nature ukazała się praca, której autorzy donoszą o pierwszym udanym pomiarze tempa rotacji takiego obiektu: czarnej dziury o masie około 2 mln mas Słońca, znajdującej się w centrum galaktyki spiralnej, odległej o 60 mln lat świetlnych od Ziemi NGC 1365. Dziurę obserwowano za pomocą teleskopów rentgenowskich: wystrzelonego w czerwcu 2012 roku przez NASA NuSTAR oraz europejskiego XMM-Newton. Dzięki badaniom promieniowania, dochodzącego z dysku materii pochłanianej przez czarną dziurę, badaczom udało się ustalić, jak daleko od horyzontu zdarzeń – obszaru, spod którego nie ma już powrotu – znajduje się krawędź dysku. Odległość krawędzi od horyzontu zależy właśnie od prędkości rotacji dziury. Jak się okazuje, obiekt z NGC 1365 rotuje niemal dokładnie z maksymalną dopuszczoną przez ogólną teorię względności prędkością. Wyznaczenie jednego z dwóch możliwych do zmierzenia parametrów typowej czarnej dziury – drugim jest masa – jest samo w sobie ważnym osiągnięciem. Jednocześnie jednak mówi nam coś o historii dziury i jej macierzystej galaktyki: najwyraźniej dziura rosła systematycznie, pochłaniając materię, a nie – jak często dotąd uważano – tylko losowo połykając przelatujące obok obłoki gazu i gwiazdy. W tym drugim wypadku średni przekazywany przez nie moment pędu, rozkręcający dziurę, byłby znikomy i nigdy nie osiągnęłaby ona tak dużej prędkości rotacji.
Mamy więc propozycję jak się wszechświaty „rozmnażają. Teraz trzeba wprowadzić element mutacji i selekcji naturalnej. Skoro wszechświaty „mnożą się” poprzez czarne dziury to znaczy, że największe szanse przetrwania i rozmnożenia się mają te z nich, w których prawa fizyki i garnitur fundamentalnych stałych sprzyjają takiej ewolucji i kondensacji materii, przy której powstają możliwie liczne czarne dziury. Drugie założenie Smolina mówi, że powstający z kolapsu czarnej dziury nowy wszechświat niemowlęcy „dziedziczy” prawa i stałe fizyczne po wszechświecie macierzystym. Dziedziczy, lecz niekoniecznie idealnie lecz z możliwością pewnych odstępstw i mutacji (podobnie jak organizm biologiczny jest z grubsza podobny do macierzystego lecz nie idealnie; my także nie jesteśmy idealnymi kserokopiami swoich rodziców). Źródłem tych przypadkowych „fluktuacji i mutacji” zestawu stałych fizycznych mogą być z powodzeniem procesy kwantowe zachodzące w momencie osiągania przez kolapsującą materię tzw. progu warunków planckowskich przy gęstościach rzędu 1094 g/cm3. Od tego „progu warunków planckowskich” następowałoby owo „odbicie się” kolapsu w kierunku nowego wielkiego wybuchu. Skoro fluktuacje kwantowe zachodzące w momencie przejścia od kolapsu do kreacji Wielkiego Wybuchu mogą spełniać rolę mutacji to znaczy że możliwy staje się też proces selekcji. Nowe wszechświaty niemowlęce, które na skutek takich mutacji otrzymają zestaw stałych fizycznych nie sprzyjających powstawaniu w nich w przyszłości czarnych dziur zwyczajnie nie rozmnożą się tak efektywnie i w końcu „wyginą”. Selekcja stopniowo upowszechni te zestawy praw, przy których powstają liczne czarne dziury.
Pod wieloma względami czarna dziura działa jak idealne czarne ciało , ponieważ nie odbija światła. Co więcej, kwantowa teoria pola w zakrzywionej czasoprzestrzeni przewiduje, że horyzonty zdarzeń emitują promieniowanie Hawkinga , z takim samym spektrum jak czarny korpus o temperaturze odwrotnie proporcjonalnej do jego masy.
Temperatura ta jest rzędu miliardowych części Kelvina dla czarnych dziur o masie gwiazdowej , co czyni ją zasadniczo niemożliwą do zaobserwowania.