W poprzednim odcinku cyklu uhonorowaliśmy pamięć Stephena Hawkinga, a jednym z segmentów artykułu było pobieżne omówienie Promieniowania Hawkinga. Postanowiłem więc pociągnąć ten temat, dlatego dzisiaj wyjaśnimy sobie co nieco w kwestii czarnych dziur – czym są, skąd pochodzą, jak działają i wreszcie w jaki sposób przestaną istnieć. Rozsiądźcie się wygodnie i zaczynamy.
Wszystko we Wszechświecie znajduje się w pewnej równowadze – istnieje zasada zachowania energii, zasada zachowania pędu czy wreszcie nieco niejasna zasada zachowania informacji. W przypadku czarnych dziur ta ostatnia jest szczególnie istotna; zakłada ona bowiem, że informacja nie ma prawa po prostu zniknąć, natomiast czarne dziury… no cóż, nie bez powodu nazywane są czarnymi dziurami. To obiekty pełne sprzeczności i niejasności; obiekty, na których temat wiemy bardzo, ale to bardzo mało.
Gdy grawitacja zwycięża
Zacznijmy jednak od początku, czyli od warunków, jakie muszą zostać spełnione, by coś mogło zostać nazwane czarną dziurą. Skąd wzięła się ta nazwa? Czarna dziura formalnie dziurą nie jest – to najprawdopodobniej kulisty obiekt o niezwykle dużej masie skupionej na niewielkiej przestrzeni. A jeśli w jakimś punkcie czasoprzestrzeni istnieje masa, to – zgodnie z teorią względności Einsteina – owa czasoprzestrzeń jest przez nią zakrzywiana. Można to sobie wyobrazić jako rozciągnięte płótno, na które ktoś upuścił ciężki przedmiot – w tym miejscu płótno zapada się w dół, tworząc swego rodzaju stożek. Dokładnie w taki sam sposób na czasoprzestrzeń wpływają masywne obiekty, również Ziemia. Orbitująca nam nad głowami Międzynarodowa Stacja Kosmiczna porusza się po ściankach takiego stożka; sama Ziemia porusza się po ściankach stożka tworzonego przez grawitację Słońca.
W fizyce istnieje parametr zwany prędkością ucieczki – jest to minimalna prędkość, którą musi posiadać obiekt, by mógł wyrwać się z oddziaływania grawitacyjnego obiektu. Na przykład dla Ziemi jest to zaledwie 11,22 kilometra na sekundę. Jednakże co w sytuacji, gdy masa obiektu jest na tyle duża, że nawet prędkość światła jest mniejsza od prędkości ucieczki? Taki obiekt byłby całkowicie czarny, ponieważ nie mógłby świecić nawet światłem odbitym. Cóż, genezę nazwy mamy już wyjaśnioną, ale wciąż nie wytłumaczyłem, jak do powstania czarnych dziur przyczynia się zwycięstwo grawitacji.
Aby to zrozumieć, należy poznać reakcję, dzięki której gwiazdy mogą świecić. Jest to tak zwana synteza jądrowa, zaś jej działanie polega po prostu na łączeniu dwóch lekkich pierwiastków w jeden cięższy; jest to przeciwieństwo reakcji zachodzących w elektrowniach atomowych, gdzie ciężkie pierwiastki rozszczepiane są na lżejsze. Podczas łączenia wydzielana jest energia, którą na Ziemi obserwujemy między innymi pod postacią promieni słonecznych. Pojawia się tutaj pojęcie równowagi hydrostatycznej – oznacza ono taki stan równowagi materii, w którym siła grawitacji jest zrównoważona przez tak zwaną siłę gradientu ciśnienia działającą w odwrotnym kierunku. Innymi słowy, grawitacja napiera do środka, zaś ciśnienie rozpycha się na zewnątrz. Można to porównać do konkurencji przeciągania liny – dopóki reakcje termojądrowe zachodzą, to żadna ze stron nie przeciąga liny na swoją stronę. Reakcje nie trwają jednak w nieskończoność. Młode gwiazdy łączą wodór w hel. Później, jeśli są wielkości mniej więcej naszego Słońca, stają się białymi karłami, natomiast obiekty bardziej masywne kontynuują syntezę aż do momentu otrzymania żelaza. Żelazo nie jest bowiem łączone w cięższe pierwiastki, lecz odkłada się we wnętrzu gwiazdy.
Tym samym masa rośnie, zaś energii nie przybywa. W pewnym momencie zostaje osiągnięty punkt krytyczny; zaburzona zostaje równowaga hydrostatyczna. Lina zostaje przeciągnięta na stronę siły grawitacji, zaś gwiazda spektakularnie zapada się w sobie, stając się supernową. Jeśli była ona wystarczająco masywna, to przekształca się w gwiazdę neutronową lub właśnie czarną dziurę – to, która z nich dwóch powstanie, określone jest przez tak zwaną granicę Tolmana-Oppenheimera-Volkoffa (TOV).
Coś, czego nie widać
Wiemy już, że pięknie świecące gwiazdy zamieniają się w żarłoczne potwory, przed którymi nie jest w stanie uciec nawet światło. Tylko skoro tak, to w jaki sposób możemy je obserwować? W jednym z poprzednich odcinków cyklu opisywałem ciemną materię, której istnienia domyślamy się tylko na podstawie jej wpływu grawitacyjnego. Podobnie jest z czarnymi dziurami. Wyobraźcie sobie, że dociera do Was światło jakiejś gwiazdy – promienie lecą bezpośrednio prosto do celu. Kiedy na drodze stanie masywny obiekt, to promienie są przez niego zakrzywiane – zjawisko to nazywa się soczewkowaniem grawitacyjnym (zdjęcie powyżej). Dalsze wnioskowanie jest już całkiem proste – skoro zauważyliśmy nagłe zakrzywienie promieni, ale w centrum tego zakrzywienia nie znajduje się świecący własnym światłem obiekt, to niemal na pewno mamy do czynienia z czarną dziurą.
W taki sposób naukowcom udało się ustalić, że w centrach galaktyk znajdują się supermasywne czarne dziury. Musicie bowiem wiedzieć, że obiekty te cały czas „żywią” się napotkaną materią – im więcej jej pochłoną, tym bardziej zwiększa się ich masa i rozmiar. Najlepiej widać to na przykładzie układów podwójnych, w których jednym z obiektów jest właśnie czarna dziura. Druga gwiazda jest wtedy malowniczo rozrywana kawałek po kawałku do momentu, aż całkowicie przestanie istnieć – przykładem takiego układu jest Cygnus X-1, który przy okazji jest też najsilniejszym źródłem promieniowania rentgenowskiego widzianym z Ziemi. Wracając jednak do galaktyk – w środku Drogi Mlecznej znajduje się supermasywna czarna dziura nazwana Sagittarius A* – jej masa szacowana jest na około cztery miliony mas Słońca. Astronomowie zaobserwowali niezwykle dziwne ruchy gwiazd obiegających centrum galaktyki – jedynym rozsądnym wyjaśnieniem było coś o ogromnej masie, która wykraczała poza skalę wszystkich znanych obiektów. Wszystkich, z wyjątkiem czarnych dziur, te bowiem raczej nie posiadają górnej granicy masy. Poniższe zdjęcie przedstawia trajektorie wspomnianych gwiazd obiegających Sagittariusa A*. Aby tak wielkie obiekty, jak gwiazdy, mogły poruszać się po takich orbitach, w środku musi znajdować się coś naprawdę potężnego.
Kwestia obserwacji czarnych dziur została kilka lat temu poszerzona o fale grawitacyjne. Niewątpliwie słyszeliście o dokonaniach interferometru LIGO, który równolegle z dwoma innymi interferometrami zaobserwował zderzenie dwóch czarnych dziur. Pojawiały się wtedy pytania co do pewności rozpoznanych obiektów, natomiast kwestia jest tak naprawdę dość prosta – obliczona masa owych obiektów jednoznacznie wskazywała na twory tak masywne, że mogły być wyłącznie czarnymi dziurami. Mało tego – wykorzystanie więcej niż jednego interferometru pozwoliły nam ustalić w miarę precyzyjnie miejsce, w którym do owego zderzenia doszło. Kto wie, być może LIGO jeszcze przyczyni się do poszerzenia naszej wiedzy na temat tych fascynujących obiektów.
Horyzont zdarzeń
Na początku artykułu wspomniałem o paradoksie informacyjnym nie bez powodu. W rozumieniu teorii względności, a więc w makroskali, czarne dziury są obiektami dość oczywistymi. Problem pojawia się, kiedy próbujemy uwzględnić efekty kwantowe. Pomyślmy – skoro czarna dziura pochłania wszystko i nic nie jest w stanie z niej uciec, informacja jest w pewnym sensie tracona. Łamie to jednak zasadę zachowania informacji, a więc albo owa zasada jest błędna (co byłoby dla Wszechświata dość katastrofalne), albo błędne jest założenie, że informacja jest tracona. W 2004 roku profesor Hawking przedstawił pomysł, jakoby czarne dziury były nie tyle niszczarką informacji, ile swoistym więzieniem. Mało tego – informacje miałyby przebywać dokładnie na horyzoncie zdarzeń. Ów horyzont jest linią graniczną obszaru, w którym przyciąganie grawitacyjne jest już nie do pokonania; tuż przed linią taka możliwość jeszcze istnieje. Wyznaczenie horyzontu zdarzeń jako tej strefy „przechowywania” informacji jest więc posunięciem dość logicznym, które dodatkowo łączy się z Promieniowaniem Hawkinga.
O owym promieniowaniu rozpisałem się w miarę dokładnie w poprzednim odcinku cyklu, przypomnę więc tylko najważniejsze rzeczy. W próżni ma miejsce zjawisko zwane fluktuacjami kwantowymi – polega ono na tworzeniu się cząstek wirtualnych i momentalnej ich anihilacji ze względu na pojawienie się pary cząstka-antycząstka. Fluktuacje wynikają z zasady nieoznaczoności Heisenberga, o której postaram się w przystępny sposób napisać w przyszłości; dopuszcza ona pojawienie się takich cząstek na najmniejszą fizyczną jednostkę czasu, czyli Czas Plancka. Nie będę się jednak rozwodził nad zawiłościami – najważniejsze, że cząstki wirtualne nie zaburzają bilansu energii Wszechświata, nie jest tutaj łamane żadne prawo.
Z jednym, drobnym wyjątkiem. Co w sytuacji, gdy para cząstek pojawi się po przeciwnych stronach horyzontu zdarzeń? Jedna z nich bezpowrotnie pochłaniana jest przez czarną dziurę, natomiast druga… no właśnie. Promieniowanie Hawkinga to właśnie przejaw tej drugiej cząstki, która po utracie towarzyszki staje się cząstką rzeczywistą. Aby nie łamać zasady zachowania energii, cząstka ta musi ukraść ułamek ułamka masy czarnej dziury. Nie ma z tym większego problemu, natomiast niejasne jest, co dzieje się z informacjami. Następstwem założenia odnośnie do „przechowywania” ich na horyzoncie zdarzeń jest fakt, że informacje mogą z tego horyzontu zostać pobrane przez cząstkę stającą się cząstką realną. Profesor Hawking porównuje tę sytuację do spalonej encyklopedii – informacja o encyklopedii nie znika bezpowrotnie; przechowywana jest w formie popiołu, co jednak oznacza, że nie jesteśmy w stanie odnaleźć konkretnych słów. Czy taka sytuacja tłumaczy paradoks informacyjny – ciężko powiedzieć. Myślę, że jeszcze przez długi czas nie dowiemy się, jak jest w rzeczywistości.
Na końcu wszystko umiera
Mała dygresja – w przyszłości możecie spodziewać się artykułu o końcu Wszechświata, bo choć jest on maksymalnie abstrakcyjny, to jednak nieźle pobudza wyobraźnię. Jego częścią naturalnie jest koniec istnienia czarnych dziur, które również mają pewną datę ważności. Prawdopodobnie. Wszystko z powodu wspomnianego Promieniowania Hawkinga. Ponieważ cząstki wirtualne będą się pojawiać zawsze (przynajmniej taka jest hipoteza), a pożywienie czarnych dziur pod postacią materii kiedyś się skończy, to nieuchronnie będą ona musiały wyparować. Według szacunków czas wyparowania największych czarnych dziur to nawet kilkakrotność obecnego wieku Wszechświata, a więc okres tak absurdalnie długi, że po prostu niemożliwy do pojęcia. Inna sprawa, że Promieniowanie Hawkinga to wciąż tylko hipoteza; uznawana przez zdecydowaną większość naukowego świata, ale wciąż niepotwierdzona.
Nie wspomniałem o jeszcze jednej rzeczy – co właściwie znajduje się za horyzontem zdarzeń? Oczywiście odpowiedź brzmi „nie mamy pojęcia, bo i skąd możemy wiedzieć”, natomiast najpopularniejsza hipoteza mówi o osobliwości. Osobliwość to punkt, w którym kolosalne ilości materii zgromadzone są w nieskończenie małym punkcie, co w efekcie daje nieskończoną gęstość w tym punkcie. Z takiej osobliwości prawdopodobnie wziął się wielki wybuch, natomiast, cóż, określenie „nieskończoność” nie jest zbyt łatwe do wyobrażenia. O ile w ogóle możliwe.
Na samym końcu nie mogę nie wspomnieć o roli czarnych dziur w fantastyce naukowej. Z pewnością słyszeliście o koncepcji tuneli czasoprzestrzennych; tworach, które miałyby łączyć dwa punkty czasoprzestrzeni tak, by umożliwić podróż między nimi bez fizycznego przemieszczania się przez dzielącą je normalną przestrzeń. Często i gęsto pojawiają się we wszelkiej maści filmach, grach i książkach. Ba, nawet w nauce funkcjonuje pojęcie tak zwanego Mostu Einsteina-Rosena, który – według założeń teoretycznych teorii względności – rzeczywiście mógłby istnieć. Późniejsze obliczenia wykazały jednak, że taki twór byłby niesamowicie niestabilny i prawdopodobnie zamknąłby się szybciej, niż zdążyłoby przelecieć przez niego choćby światło. A ponieważ tunele czasoprzestrzenne miałyby mieć „wejście” tylko przez czarną dziurę, to prawdopodobnie możemy się z nimi pożegnać. Ale nie ma się co martwić – zanim w pełni zbadamy czarne dziury, to najpewniej odkryjemy masę równie fascynujących rzeczy. I tym optymistycznym akcentem zakończę dzisiejszy materiał. Widzimy się za tydzień!
źródła: livescience
_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.
