Krótka historia czarnych dziur

W sercu Drogi Mlecznej znajduje się zniekształcenie struktury Wszechświata wywołane przez obiekt cztery miliony razy cięższy od naszego Słońca. Tak mocno zakrzywia przestrzeń i czas w swoim otoczeniu, że potrafi uwięzić promienie świetlne, gdy zbliżą się na odległość mniejszą niż 12 milionów kilometrów. Ten obszar bez powrotu jest ograniczony horyzontem zdarzeń, nazywanym tak, ponieważ Wszechświat na zewnątrz jest na zawsze odizolowany od wszystkiego, co dzieje się w jego wnętrzu. A przynajmniej tak uważano w czasach, kiedy wymyślono ten termin. Nadaliśmy mu nazwę Sagittarius A* (Sagittarius A* wymawia się jako „Sagittarius A z gwiazdką”) i jest to supermasywna czarna dziura.

Czarne dziury znajdują się tam, gdzie kiedyś świeciły najbardziej masywne gwiazdy, oraz w centrach galaktyk i na granicy naszych obecnych możliwości obserwacyjnych. Są to naturalnie występujące obiekty, nieuniknione twory grawitacji powstające wtedy, gdy wystarczająco dużo materii znajdzie się w odpowiednio małej przestrzeni.

A jednak, chociaż znane nam prawa przewidują ich istnienie, to jednak nie opisują ich w pełni. Fizycy poświęcają swoje kariery na tropienie nowych problemów i przeprowadzanie eksperymentów w poszukiwaniu wszystkiego, czego nie da się wyjaśnić znanymi prawami. Wspaniałą rzeczą w odkrywaniu przez nas coraz większej liczby czarnych dziur rozsianych po całym niebie jest to, że każda z nich stanowi przeprowadzany przez Naturę eksperyment, którego nie potrafimy wyjaśnić. Oznacza to, że brakuje nam wiedzy na głębokim poziomie zrozumienia.

Współczesne badania czarnych dziur rozpoczęły się tuż po publikacji ogólnej teorii względności Einsteina w 1915 roku. Ta mająca ponad sto lat teoria grawitacji prowadzi do dwóch zaskakujących przewidywań: „Po pierwsze, masywne gwiazdy zapadną się za horyzont zdarzeń i  utworzą «czarne dziury» zawierające osobliwość; a po drugie, w naszej przeszłości istnieje osobliwość, która w  pewnym sensie stanowi początek Wszechświata”. To niezwykłe zdanie pojawia się na pierwszej stronie słynnego podręcznika ogólnej teorii względności The Large Scale Structure of Space-Time (Wielkoskalowa struktura czasoprzestrzeni), napisanego w  1973 roku przez Stephena Hawkinga i George’a Ellisa . Znajdziemy w nim sugestywne terminy – czarna dziura, osobliwość, horyzont zdarzeń – które stały się częścią kultury popularnej. Napisano tam również, że grawitacja zmusza najbardziej masywne gwiazdy we Wszechświecie do zapadnięcia się pod koniec ich życia. Taka gwiazda znika, pozostawiając jednak ślad w strukturze Wszechświata. Ale za horyzontem coś pozostaje. Jest to osobliwość, bardziej moment niż miejsce, w którym załamuje się nasza wiedza o prawach Natury. Zgodnie z ogólną teorią względności osobliwość znajduje się na końcu czasu. Istnieje też osobliwość w naszej przeszłości, która wyznacza początek czasu: to Wielki Wybuch. To wszystko prowadzi do głębokiego wniosku, że nasz naukowy opis grawitacji, znanej nam z codziennego doświadczenia siły rządzącej zachowaniem kul armatnich i księżyców, dotyczy natury przestrzeni i czasu.

Wcale nie jest oczywiste, że grawitacja powinna być powiązana z przestrzenią i czasem, nie mówiąc już o tym, że próba opisania jej za pomocą teorii naukowej może prowadzić do rozważań dotyczących początku i końca czasu. Czarne dziury zajmują kluczowe miejsce w badaniu tego głębokiego związku, ponieważ są najbardziej niezwykłymi obserwowalnymi wytworami grawitacji. Stanowią źródło tak wielkich trudności interpretacyjnych, że jeszcze w latach sześćdziesiątych XX wieku wielu fizyków uważało, że chociaż czarne dziury wynikają z matematyki ogólnej teorii względności, Natura z pewnością znalazła sposób, aby zapobiec ich powstawaniu. Sam Einstein napisał w 1939 roku artykuł, w którym doszedł do wniosku, że czarne dziury „nie istnieją w fizycznej rzeczywistości”. Współczesny Einsteinowi znakomity uczony Arthur Eddington ujął to bardziej dosadnie: „Powinno istnieć prawo Natury zapobiegające zachowaniu się gwiazdy w tak absurdalny sposób”. A jednak nikt nie odkrył takiego prawa, a gwiazdy zachowują się właśnie w ten sposób.

Dziś wiemy, że czarne dziury są naturalną i nieuniknioną fazą życia gwiazd kilka razy cięższych od naszego Słońca, a skoro w naszej Galaktyce jest wiele milionów takich gwiazd, czarnych dziur również jest wiele milionów. Gwiazdy to duże skupiska materii przeciwstawiające się zapadaniu grawitacyjnemu. Na wczesnym etapie życia opierają się przyciąganiu własnej grawitacji, przekształcając w swoich jądrach wodór w hel. Ten proces, czyli synteza jądrowa, uwalnia energię, która wytwarza ciśnienie powstrzymujące zapadanie. Nasze Słońce znajduje się obecnie w  tej fazie, przekształcając 600 milionów ton wodoru w hel w każdej sekundzie. Łatwo jest przyzwyczaić się do bardzo dużych liczb w astronomii, ale w tym miejscu zatrzymajmy się na chwilę, by podziwiać porażającą różnicę skali między gwiazdami a obiektami codziennego ludzkiego doświadczenia. Sześćset milionów ton to masa małej góry, a odkąd powstała Ziemia, nasze Słońce nieustannie w każdej sekundzie spala całą górę wodoru. Nie ma jednak powodów do obaw; w naszej gwieździe znajduje się tak dużo wodoru, że może ona prowadzić nieprzerwane zmagania z grawitacją przez kolejne pięć miliardów lat. Słońce ma taką możliwość, ponieważ jest duże; zmieściłoby się w nim bez problemu milion kul ziemskich. Ma średnicę 1,4 miliona kilometrów; samolot pasażerski musiałby lecieć przez pół roku, aby je okrążyć. A mimo to Słońce jest małą gwiazdą. Największe znane gwiazdy są tysiąc razy większe, a  ich średnice sięgają miliarda kilometrów. Gdyby je umieścić w centrum Układu Słonecznego, pochłonęłyby Jowisza. Takie monstra zakończą swoje życie katastroficznym wydarzeniem zwanym kolapsem grawitacyjnym.

Grawitacja jest słabą, lecz niepowstrzymaną siłą. Zawsze przyciąga, a przy braku silniejszych przeciwdziałających jej sił przyciąga bez ograniczeń. Grawitacja stara się przeciągnąć nas przez podłogę do środka Ziemi i ciągnie grunt w tym samym kierunku. Cała ziemska materia nie zapada się do centralnego punktu tylko dlatego, że jest sztywna, zbudowana z cząstek, które stosują się do praw fizyki kwantowej i odpychają się, gdy znajdą się zbyt blisko siebie. Ale sztywność materii jest w pewnym sensie iluzją. Nie zauważamy tego, że podłoże, po którym stąpamy, jest w zasadzie pustą przestrzenią. Chmury tańczących elektronów otaczające jądra atomowe oddzielają atomy od siebie i dają nam złudne poczucie, że ciała stałe są gęsto upakowane. Tak naprawdę jądro atomowe zajmuje zaledwie drobny ułamek objętości atomu, a grunt pod naszymi stopami jest równie niematerialny jak para. Siły odpychające wewnątrz materii są jednak bardzo potężne i potrafią powstrzymać nas przed przeniknięciem przez podłogę, a także zapewnić stabilność umierającym gwiazdom o masie nawet dwukrotnie większej niż Słońce. Lecz istnieje pewna granica, którą wyznaczają gwiazdy neutronowe.

Typowa gwiazda neutronowa ma promień zaledwie kilku kilometrów i masę około półtora razy większą od Słońca. Milion ziemskich globów ściśniętych w obszarze wielkości miasta. Gwiazdy neutronowe obracają się bardzo szybko, emitując silne wiązki fal radiowych, które omiatają Wszechświat niczym latarnia morska. Pierwszej obserwacji takiej gwiazdy neutronowej, zwanej pulsarem, dokonali Jocelyn Bell Burnell i Antony Hewish w 1967 roku. Sygnał przechodzący przez Ziemię co 1,3373 sekundy jest tak regularny, że Bell Burnell i Hewish nadali mu nazwę „Małe zielone ludziki 1”. Najszybszy dotąd odkryty pulsar, znany jako PSR J1748- 2446ad, wiruje 716 razy na sekundę. Gwiazdy neutronowe to ciała niebieskie o ogromnych zasobach energii. 27 grudnia 2004 roku w Ziemię trafił impuls energetyczny, oślepiając satelity i powiększając naszą jonosferę. Niesiona przez niego energia została uwolniona w wyniku zmiany konfiguracji pola magnetycznego wokół gwiazdy neutronowej o nazwie SGR 1806-20, która znajduje się 50 tysięcy lat świetlnych od Ziemi po drugiej stronie Galaktyki. W ciągu jednej piątej sekundy gwiazda ta wypromieniowała więcej energii niż nasze Słońce w ciągu ćwierć miliona lat.

Przyciąganie grawitacyjne na powierzchni gwiazdy neutronowej jest 100 miliardów razy większe niż na Ziemi. Wszystko, co trafi na jej powierzchnię, zostaje natychmiast zgniecione i zamienione w zupę nukleonową. Gdybyśmy spadli na powierzchnię gwiazdy neutronowej, wówczas cząstki, które kiedyś były elementami składowymi atomów w naszych ciałach, zamieniłyby się w neutrony i zostałyby ściśnięte tak mocno, że drgałyby niemal z prędkością światła, próbując nie trafić na siebie. Te drgania mogą powstrzymać zapadanie gwiazdy neutronowej o masie około dwóch mas Słońca, ale nie cięższej. Powyżej tej granicy zwycięża grawitacja. Gdyby na powierzchnię takiej gwiazdy wielkości miasta dostarczyć trochę więcej masy, zapadłaby się, tworząc osobliwość czasoprzestrzenną. Georges Lemaître, katolicki ksiądz i jeden z twórców współczesnej kosmologii, opisał osobliwość Wielkiego Wybuchu na początku naszego Wszechświata jako dzień bez wczoraj. Osobliwość utworzona przez kolaps grawitacyjny to chwila bez jutra. Na zewnątrz pozostaje tylko ciemny ślad tego, co kiedyś świeciło: CZARNA DZIURA.

Fragment pochodzi z książki "Czarne dziury. Klucz do zrozumienia Wszechświata", Brian Cox, Jeff Forshaw, Helion 2024