Jeszcze nie tak dawno uważano, że czarne dziury istnieją tylko hipotetycznie. Dziś naukowcy mają już coraz więcej dowodów na to, że nie tylko istnieją, ale zachowują się zgodnie z założeniami teorii względności.

Czarna dziura to obiekt tak gęsty, że światło nie może z niego uciec. Inaczej mówiąc, prędkość niezbędna do pokonania siły grawitacji takiego obiektu jest większa niż prędkość światła. Aby to zrozumieć, nie wystarczy niestety ujęcie grawitacji zaproponowane przez Newtona. Na szczęście mamy elegancką ogólną teorię względności Einsteina. Einstein mówił, że każdy obiekt we wszechświecie zakrzywia czasoprzestrzeń wokół siebie. Żeby zilustrować to w dwóch wymiarach, wyobraź sobie piłkę lekarską leżącą na środku trampoliny. Piłka, ze względu na swoją masę, obciąża trampolinę, przez co jej powierzchnia się wygina. Jeśli teraz puścisz piłeczkę pingpongową po trampolinie, nie potoczy się ona w linii prostej. Tor ulegnie zakrzywieniu z powodu piłki lekarskiej. Właśnie tak Einstein tłumaczył grawitację, aczkolwiek nie mówił o piłkach, lecz o gwiazdach, rolę trampoliny odgrywała przestrzeń, piłeczkami pingpongowymi były zaś planety okrążające gwiazdy.

Czarna dziura zakrzywia przestrzeń tak bardzo, że przynajmniej w dwóch wymiarach przestrzeń staje się całkiem sferyczna. Nazywamy to horyzontem zdarzeń. Żaden obiekt, który go przekroczy: statek kosmiczny, piłeczka pingpongowa, maleńki foton, nie zdoła stamtąd uciec.

To maksymalne zakrzywienie przestrzeni nazywa się osobliwością. Olbrzymia masa skupia się w nieskończenie małej przestrzeni. Osobliwości irytowały naukowców żyjących na początku XX wieku, bo wiąże się z nimi brzydka matematyka. Zmuszają na przykład do dzielenia przez zero, co oznacza, że granica nie istnieje. Potem, w latach sześćdziesiątych, na scenę wkroczyli Stephen Hawking i Roger Penrose. Wykazali, że zgodnie ze znanymi nam prawami fizyki osobliwości są jak najbardziej spodziewane, mimo matematycznych trudności, których nam przysparzają.

Informacja

Z ostatniej chwili! To pierwsza z Twoich pięciu treści dostępnych bezpłatnie w tym miesiącu. Słuchaj i czytaj bez ograniczeń – zapraszamy do prenumeraty cyfrowej!

Subskrybuj

W tamtym czasie czarne dziury uważano za obiekty istniejące wyłącznie w teorii. Zmieniło się to, kiedy pod koniec lat sześćdziesiątych Jocelyn Bell Burnell odkryła gwiazdy neutronowe, a konkretnie wirujące pulsary, emitujące fale radiowe. Wcześniej astronomowie wiedzieli, że istnieje teoretyczna granica masy, po której przekroczeniu biały karzeł (istniejący dzięki odpychającym się elektronom) zapadnie się i przekształci w gwiazdę neutronową (podtrzymywaną przez odpychające się neutrony). Nikt nie wierzył, że naprawdę tak się dzieje, okazało się jednak, że gwiazdy neutronowe istnieją. Co, jeśli gwiazda neutronowa również osiągnie granicę masy i się zapadnie? Powstanie czarna dziura.

Zakrzywiam, więc jestem

Wiemy zatem, że czarne dziury to nie tylko teoria. Pozostaje jednak pytanie, z czego się składają. Prosta odpowiedź brzmi: nie wiadomo. Gwiazda neutronowa składa się z neutronów upakowanych tak gęsto, jak to możliwe, tworzących strukturę przypominającą kryształ. Co się dzieje, kiedy siły zapobiegające ich zmiażdżeniu zostają przezwyciężone? Na pewno powstaje materia w swej najgęstszej postaci. Ale na razie nie jesteśmy pewni, jakie są jej właściwości.

Skąd w ogóle wiemy, że gdzieś w kos­mosie znajdziemy czarne dziury, skoro nie możemy wykryć ich za pomocą świat­ła? No cóż, nie widzimy wiatru, ale obserwujemy jego wpływ na inne obiekty, choćby na korony drzew. Czasami potrafimy uchwycić grawitacyjne oddziaływanie czarnych dziur na inne obiekty we wszechświecie. Widzieliśmy na przykład światło odległych galaktyk zakrzywione wokół czarnych dziur w naszej Galaktyce. Światło galaktyki zostaje zagięte zgodnie ze swymi właściwościami w einsteinowskiej zakrzywionej czasoprzestrzeni. Nie możemy „zobaczyć” obiektu, który zakrzywia przestrzeń. Wiemy jednak o jego istnieniu, bo obserwujemy skutki.

Inna metoda „oglądania” czarnych dziur wymaga znalezienia fali uderzeniowej, która rozchodzi się, gdy dwie czarne dziury zderzają się ze sobą. Tak bardzo zakrzywiają one czasoprzestrzeń, że jeśli się spotkają i zaczną wokół siebie krążyć, przestrzeń nie będzie miała żadnych szans. Jej zakrzywienie zmienia się z każdym okrążeniem czarnych dziur. Wskutek tego w kosmosie rozchodzą się fale grawitacyjne. Wreszcie czarne dziury zderzają się ze sobą i tworzą naprawdę potężną falę grawitacyjną. Fala, rozchodząc się w przestrzeni, ściska ją i rozciąga. Te zaburzenia przestrzeni możemy obecnie wykrywać dzięki dwóm niezwykle czułym detektorom: LIGO w Stanach Zjednoczonych i Virgo we Włoszech. Oba składają się z dwóch luster umieszczonych pod ziemią w odleg­łości wielu kilometrów od siebie. Między lustrami skierowana zostaje wiązka lasera. Pozwala ona zmierzyć z nieprawdopodobną precyzją odległość dzielącą lustra. Dzięki temu wiemy, czy przestrzeń między lustrami kurczy się lub rozciąga na skutek fal grawitacyjnych. Aby ustalić na sto procent, że przyczyną zmian są fale grawitacyjne, konieczne jest wykrycie fal na detektorach po dwóch różnych stronach planety w tym samym momencie.

Czarne dziury to moja miłość. Ściślej rzecz ujmując, supermasywne czarne dziury. Moja praca polega na badaniu, w jaki sposób wpływają one na galaktyki, w których się znajdują. Supermasywne czarne dziury są zazwyczaj od miliona do miliarda razy większe niż Słońce. Należą do specjalnej kategorii czarnych dziur. Różnią się choćby od czarnych dziur o masie równej gwiazdom, powstających, kiedy u schyłku życia gwiazda wybucha jako supernowa. Nie przestaje mnie zdumiewać, że my, ludzie, stanowiący tak maleńki ułamek energii Wielkiego Wybuchu, potrafimy zrozumieć i badać najbardziej energetyczne obiekty we wszechświecie.

Jasne dowody na istnienie

W jaki sposób wyszukujemy supermasywne czarne dziury znajdujące się w centrach galaktyk? Mamy na przykład w miarę bezpośrednie dowody, które zawdzięczamy trwającym wiele dziesięcioleci badaniom ruchów gwiazd w sercu Drogi Mlecznej. Widzimy, że gwiazdy obiegają centrum Galaktyki z ogromną prędkością. Dane o ich orbitach pozwalają obliczyć masę obiektu, wokół którego krążą. Wiemy zatem, że w centrum Drogi Mlecznej, na obszarze mogącym się zmieścić na orbicie Merkurego, znajduje się byt o masie cztery miliony razy większej niż Słońce. Tylko supermasywna czarna dziura może być tak mała i zarazem tak ciężka.

Co ciekawe, w latach osiemdziesiątych XX wieku trwała ożywiona debata na temat tego, czy w centrach galaktyk znajdujemy pojedyncze supermasywne czarne dziury, czy może raczej zbiorowiska czarnych dziur. Ta druga opcja byłaby fajowska, ale w rzeczywistości w centrach galaktyk brakuje miejsca. Zbiorowiska czarnych dziur nie byłyby stabilne. Ciągle dochodziłoby do zderzeń i różnego rodzaju interakcji powodujących zaburzenia. Część czarnych dziur odbijałaby się od siebie i oddalała od centrum. Pozostałe zderzałyby się ze sobą, tworząc ostatecznie jeden potężny obiekt.

Do niedawna dane na temat supermasywnych czarnych dziur w centrach innych galaktyk we wszechświecie miały raczej poszlakowy charakter. Pochodziły z obserwacji obszarów odległych o miliardy lat świetlnych. Prowadząc te obserwacje, rejestrowaliśmy promieniowanie w centrach galaktyk: mnóstwo promieniowania rentgenowskiego, radiowego i innego, o wysokiej energii. Takie promieniowanie występuje, jeśli wodór w postaci gazowej opada na bardzo ciężki i zarazem bardzo mały obiekt. Tarcie, powodowane przez prędkość, z którą gaz porusza się ruchem wirowym, jest tak wielkie, że dochodzi do emisji intensywnego promieniowania.

Po wielu dziesięcioleciach obserwacji tego niesamowicie silnego promieniowania rentgenowskiego i radiowego w centrach galaktyk astronomowie doszli do wniosku, że w grę muszą wchodzić supermasywne czarne dziury, gdyż tylko one dysponują odpowiednią ilością energii. Udało się to potwierdzić w kwietniu 2019 roku dzięki Teleskopowi Horyzontu Zdarzeń. Uzyskaliśmy pierwszy obraz materii wytwarzającej promieniowanie, poruszającej się ruchem wirowym wokół supermasywnej czarnej dziury w samym centrum galaktyki Messier 87. Co najważniejsze, zobaczyliśmy obszar, w którym nie możemy wykryć żadnego światła z materii na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury. Tym samym zyskaliśmy najmocniejszy jak dotąd dowód, że czarne dziury istnieją i że zachowują się zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności.

Oprócz promieniowania emitowanego przez dysk materii poruszającej się ruchem wirowym jest jeszcze ciśnienie. Kiedy czarna dziura próbuje zbyt szybko zgromadzić zbyt dużą ilość materii, zdarza się czasami, że część gazu wchodzącego w skład dysku zostaje wyrzucona na zewnątrz. Powstają tysiące strumieni o długości roku świetlnego, emitujących promieniowanie radiowe. Energia wyrzucona z dysku na skutek nadmiernej chciwości czarnej dziury może, jak się wydaje, wpływać na galaktykę. Aby galaktyka mog­ła nadal zmieniać się i ewoluować, muszą powstawać nowe gwiazdy. Potrzebne są więc zimne chmury wodoru, którego atomy będą się łączyły pod wpływem grawitacji, aż wreszcie chmura osiągnie ogromną gęstość i zacznie się reakcja termojądrowa. Zgodnie z najbardziej uznaną teorią wszechświata energia wyrzucona z dysku akrecyjnego wokół supermasywnej czarnej dziury musi albo podgrzewać wodór, albo go odpychać. Sprawia w ten sposób, że masywne galaktyki nie mogą zrobić się zbyt duże. Nigdy jednak nie udało nam się zaobserwować tego zjawiska w dużej próbie galaktyk. Moja praca polega na rozglądaniu się za nim.

I jeszcze jedna rzecz pozwalająca porównać skalę: długość galaktyki Messier 87 wynosi kilkaset tysięcy lat świetlnych. Natomiast olbrzymia fala promieniowania wyplutego przez supermasywną czarną dziurę ma długość przeszło dziesięciu milionów lat świetlnych. Gdyby Messier 87 miała rozmiar ziarenka piasku, supermasywna czarna dziura w jej centrum byłaby wielkości atomu. Tymczasem rozchodzące się z niej promieniowanie objęłoby całą ludzką dłoń. Przywodzi mi to na myśl wiersz Williama Blake’a [tłum. Zygmunt Kubiak]:

Zobaczyć świat w ziarenku piasku,
Niebiosa w jednym kwiecie z lasu.
W ściśniętej dłoni zamknąć bezmiar,
W godzinie – nieskończoność czasu.

Blake pisał te słowa w 1863 roku, nie miał więc na myśli galaktyki Messier 87 – w tamtych czasach nikt przecież nie wiedział, że istnieją miliardy galaktyk, z których każda ma w centrum supermasywną czarną dziurę, uwalniającą niewiarygodnie długie fale promieniowania radiowego. Mimo to myślę o czarnych dziurach za każdym razem, gdy natykam się na ten wiersz.

Fragment książki dr Becky Smethurst Kosmos. 10 rzeczy, które należy o nim wiedzieć, wyd. Marginesy, Warszawa 2021. Przypisy do tekstu zostały usunięte a tytuł, lead i śródtytuły dodane przez redakcję „Przekroju”.