Dziury w czarnych dziurach

Dziury w czarnych dziurach

Czy najbardziej tajemnicze obiekty w kosmosie mogą w ogóle nie istnieć?
Niedawno ogłoszono odkrycie największej z kosmicznych czarnych dziur. Układ, w którym można ją zobaczyć, odkryto w pobliżu Drogi Mlecznej, w galaktyce karłowatej IC 10. Jedna z gwiazd jest tam okrążana przez zwarty obiekt o masie co najmniej 24 razy, a być może nawet 33 razy większej od Słońca.
Jeśli rzeczywiście chodzi o czarną dziurę, w jej pobliżu pojawiają się zjawiska przewidywane przez ogólną teorię względności i mechanikę kwantową. Ten egzotyczny obiekt okryty jest polem grawitacyjnym, tzw. horyzontem zdarzeń, spod którego nic nie może się wydostać. Materia spod horyzontu przekazuje nam o sobie znikome informacje. Możemy badać wyłącznie masę, ładunek elektryczny i ewentualną rotację dziury. O rodzaju materii, z której powstała, nie dowiemy się już niczego – czarna dziura stworzona ze zwykłego gazu, antymaterii, egzotycznych cząstek, ciała supergorącego lub lodowato zimnego wygląda identycznie.

Ciemna energia
Co czeka materię wpadającą pod horyzont czarnej dziury? Być może dowiemy się tego, gdy uda się nam stworzyć nową teorię fizyczną, która połączy przewidywania ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową. Dziś obie te teorie pozostają z sobą w dosyć chłodnych stosunkach i ustalenie ich wspólnych przewidywań w wypadku wielu zdarzeń jest niezwykle trudne. Dzięki mechanice kwantowej Stephenowi Hawkingowi udało się jednak ustalić, że czarne dziury nie są wieczne: powoli parują i tracą masę. Dzieje się to jednak bardzo wolno. Tak wolno, że czarna dziura mogłaby wyparować po czasie biliardy biliardów razy przewyższającym obecny wiek wszechświata. Takie parowanie przysparza fizykom sporego bólu głowy: gwiazda stopniowo znika, pozostawiając po sobie tylko idealnie anonimowe promieniowanie. Co dzieje się więc z informacją o materii, która niegdyś stworzyła dziurę? Myśl, że ginie ona na zawsze, jest sprzeczna z dzisiejszymi teoriami. Może więc promieniowanie Hawkinga niesie jednak jakąś informację albo po czarnej dziurze coś pozostaje? A może czarne dziury po prostu nie istnieją?
Choć zwolennicy alternatywnych rozwiązań są wśród fizyków i astronomów zdecydowaną mniejszością, dziś proponuje się już istnienie kilku innych „zastępujących" czarne dziury obiektów. Jednym z nich są grawastary – gwiazdy, w których wewnętrzną pustkę super-zakrzywionej czasoprzestrzeni otacza cienka warstewka materii. Jej gęstość jest naprawdę kolosalna – cała materia grawastara o masie kilku mas Słońca musiałaby się zmieścić w warstewce o powierzchni zbliżonej do powierzchni Warszawy i grubości miliard miliardów razy mniejszej od średnicy protonu. Nic dziwnego, że fizycy – obarczeni koniecznością wyjaśnienia własności takiej materii – nie kwapią się do uznania istnienia grawastarów. A może czarne dziury po prostu nie powstają? Opadająca ku horyzontowi zdarzeń materia widziana przez odległych obserwatorów wydaje się ciemnieć i zwalniać tak, że momentu jej wejścia pod horyzont nigdy nie zobaczymy. Być może to samo odnosi się do chwili powstania każdej z czarnych dziur, którego po prostu nigdy nie zobaczymy? Być może zamiast nich możemy widzieć tylko czarne gwiazdy – obiekty, które stopniowo stają się coraz bardziej podobne do prawdziwych czarnych dziur. Kłopoty pojawiają się jednak, gdy przypomnimy sobie o promieniowaniu Hawkinga – czarna dziura, której powstania mielibyśmy nie zobaczyć, może całkiem wyparować.
A może zamiast dziur powstają gwiazdy ciemnej energii, w których opadająca ku centrum materia jest zamieniana w energię próżni lub ciemną energię? Niestety – o ciemnej energii wiemy dziś chyba jeszcze mniej niż o czarnych dziurach.

Dziura z laboratorium
Aby rozstrzygnąć wątpliwości, należałoby prowadzić precyzyjne obserwacje układów z ciemnymi, supergęstymi składnikami. Niestety, i ciemne gwiazdy, i grawastary obserwowane z zewnątrz wyglądają niezwykle podobnie do klasycznych czarnych dziur – otacza je niezwykle silne pole grawitacyjne, a z ich – tak lub inaczej definiowanej – powierzchni w najlepszym razie dochodzą symboliczne ilości promieniowania. Oglądana z daleka czarna dziura praktycznie nie daje się więc odróżnić od grawastara lub gwiazdy ciemnej energii. Może się więc przypatrzyć dziurom z bliska? Niektóre teorie fizyczne przewidują, że czarną dziurę można wytworzyć w laboratorium podczas zderzenia wysokoenergetycznych cząstek. Już w maju 2008 r. ma ruszyć LHC – położony we Francji i Szwajcarii Wielki Zderzacz Hadronów. Niektórzy badacze uważają, że podczas zachodzących w nim zderzeń mogą powstawać miniaturowe czarne dziury, na szczęście – szybko ginące wskutek promieniowania Hawkinga. Jeśli jednak minidziurki nie powstaną, definitywne potwierdzenie istnienia kosmicznych czarnych dziur mogą nam przynieść dopiero obserwacje dochodzących od nich fal grawitacyjnych. Do dziś nie udało się ich jeszcze bezpośrednio zarejestrować, ale działające już detektory wypatrujące fal grawitacyjnych wkrótce kilkakrotnie zwiększą swą czułość. Być może zobaczą wtedy potężne zaburzenia wywołane podczas zderzenia dwóch czarnych dziur – sytuacji, która zdarza się niekiedy w podwójnych układach gwiazd. Analiza takiego sygnału da nam ostateczną odpowiedź na pytanie o istnienie obiektów, które wiążą światło i niepokoją umysły fizyków. 

Czarne dziury nie są wieczne. Powoli parują i tracą masę - do takich wniosków doszedł Stephen Hawking dzięki mechanice kwantowej
Jak powstaje dziura
Nawet od grawitacji Ziemi nie jest łatwo się uwolnić. By ją na zawsze porzucić, musimy osiągnąć prędkość co najmniej 11,2 km/s, czyli ponad 40 tys. km/h. Ta prędkość ucieczki rośnie wraz ze wzrostem masy porzucanego ciała i jego gęstością – dla Słońca wynosi 55 razy więcej niż dla Ziemi. Gdybyśmy zwiększyli masę naszej gwiazdy lub ją ścisnęli, uciec byłoby z niej jeszcze trudniej. Mające dziś ponad milion kilometrów średnicy Słońce, skurczone do kuli o niespełna trzykilometrowym promieniu, zamieniłoby się w czarną dziurę. I choć taki los mu nie grozi, wiele masywniejszych od niego gwiazd kończy życie w takim supergęstym stanie. Dzieje się to zwykle w trakcie wybuchu gwiazdy supernowej: kilkadziesiąt razy cięższa od Słońca gwiazda wyrzuca w przestrzeń część swej materii, a jej reszta się zapada. Takiego kolapsu nie jest w stanie powstrzymać żadna znana dziś siła. W pewnym momencie zapadającą się materię otoczy niewidzialna, ale istotna granica – horyzont zdarzeń. Dla dziur powstałych z gwiazd jego promień, zwany promieniem Schwarzschilda, wynosi od dziewięciu do kilkudziesięciu kilometrów. Astronomowie obserwują też dziury supermasywne, powstałe w centrach wielu galaktyk, w tym również Drogi Mlecznej. Ich masa wynosi od kilku milionów do nawet miliarda mas Słońca.

 

Okładka tygodnika WPROST: 47/2007
Więcej możesz przeczytać w 47/2007 wydaniu tygodnika „Wprost”
Zamów w prenumeracie lub w wersji elektronicznej:

Czytaj także

 0