Czarne dziury – 10 pytań o najbardziej zagadkowe obszary czasoprzestrzeni

W tym artykule:

1. Jak wygląda czarna dziura?
2. Czarne dziury: Co jest w środku?
3. Czy czarne dziury istnieją?

Prezentujemy fragment książki dziennikarki naukowej Karoliny Głowackiej i prof. Jeana-Pierre'a Lasoty „Czy wybuch był głośny. 11 rozmów o historii i życiu codziennym Wszechświata". Publikacja to zapis fascynujących rozmów o miejscu człowieka we Wszechświecie, narodzinach i przyszłości galaktyk, o planetach, gwiazdach i czarnych dziurach.

Zaskakujące nowe zdjęcia Marsa pokazują wielki okrągły znak i gigantyczne, jakby wydrapane szponami rysy. Co to jest?

Sonda Mars Express pracuje na orbicie Marsa od 2003 r. Właśnie przesłała niezwykłe obrazy jednego z rejonów Czerwonej Planety.

Jak wygląda czarna dziura?

[Karolina Głowacka] Czy czarne dziury są naprawdę dziurami?

[Prof. Jean-Pierre Lasota]: Jeśli pyta pani, czy są dziurami w przestrzeni, to powiem, że nie. Ale czy powiedziałaby pani, że studnia to jest dziura?

Częściowo...

– No więc właśnie. Czarna dziura jest dziurą częściowo, jest taką studnią w czasoprzestrzeni.

Ale do studni można wpaść tylko z jednej strony, a czarna dziura nie ma przodu, tyłu czy boków.

– Zgadzam się, nie ma studni sferycznych. A czarne dziury są kulami, choć jeśli obracają się, to są kulami spłaszczonymi. Tylko trzeba pamiętać, że tam nie ma nic materialnego. Czarna dziura to jest miejsce, do którego można wpaść z każdej strony. Bardzo trudno to sobie wyobrazić w przestrzeni trójwymiarowej, dlatego dla uproszczenia czarne dziury przedstawia się schematycznie właśnie jak studnie.

A co jest w środku?

– Zapadająca się przestrzeń. Po wpadnięciu w czarną dziurę nie można zostać w miejscu, wszystko leci ku środkowi, łącznie z samą przestrzenią. Kanadyjski fizyk William Unruh porównuje to do wodospadu.

Co stałoby się ze mną, gdybym wpadła do takiego wodospadu?

– To zależy od masy czarnej dziury. Oddziaływałyby na panią siły pływowe – te same, które powodują przypływy i odpływy mórz na Ziemi. Przy niezbyt masywnej czarnej dziurze byłyby tak silne, że by panią ściskały i rozciągały, a w końcu rozerwały. Te siły działają już przed wpadnięciem do tego wodospadu.

Przy supermasywnej czarnej dziurze siły pływowe są malutkie. Można do niej wpaść i nawet tego nie zauważyć. A pod horyzontem zdarzeń – tak nazywamy czasoprzestrzenną powierzchnię czarnej dziury – już się tylko spada. Spadałaby pani razem z przestrzenią, nie mogąc się ani zatrzymać, ani zawrócić, aż w końcu – gdyby to była nieobracająca się czarna dziura – niestety rozbiłaby się pani na tak zwanej osobliwości.

To dno czarnej dziury?

– Można tak powiedzieć. Osobliwość to termin matematyczny, który się czasem kojarzy z tym, że coś jest osobliwe, dziwne. To nie o to chodzi.

Osobliwość to miejsce w rozwiązaniu równań matematycznych, w którym to rozwiązanie przestaje mieć sens, bo wielkości, które opisuje, stają się nieskończone. Na przykład gęstość, ciśnienie, siły pływowe – wszystko to staje się nieskończone. To znaczy, że teoria, której używamy do opisu czarnej dziury, przestaje działać.

Czarne dziury: Co jest w środku?

Czyli nie wiemy, co tam jest?

– Nie wiemy. Przypuszczalnie pojawiają się tam efekty kwantowej grawitacji, której nie potrafimy opisać za pomocą teorii. Ale w zasadzie już w pobliżu osobliwości siły pływowe stają się prawie nieskończone, więc zanim by pani dotarła do tego dna, to i tak by panią rozerwało na strzępy.

Nie miałabym żadnych szans?

– Jeżeli czarna dziura obraca się, to z rozwiązań równań wynika – nikt tego nigdy nie sprawdzi – że można nie wpaść do osobliwości, bo ma ona kształt pierścienia. Można by przelecieć przez jego środek i trafić do innego wszechświata. Kłopot polega na tym, że gdyby pani do niego wleciała, zawaliłby się.

Jak to możliwe?

– Proszę pamiętać, że cały czas mówimy o matematycznych rozważaniach. Takie zawalenie się wynika z tego, że mamy tu do czynienia z niestabilnymi rozwiązaniami równań. Opisują one pewną idealną sytuację, w której najmniejsza zmiana powoduje zupełne rozjechanie się. Najlepszym przykładem jest kulka położona na szczycie półkuli. Wystarczy ją potrącić, a spadnie i już nie wróci.

Czy taka czarna dziura z osobliwością w kształcie pierścienia byłaby czymś w rodzaju tunelu czasoprzestrzennego?

– Proszę sobie jeszcze raz wyobrazić czarną dziurę jako studnię. Otóż z matematycznego punktu widzenia możliwa jest sytuacja, w której z drugiej strony, połączona dnem, istnieje taka druga studnia.

W tym samym wszechświecie?

– Nie, one są w różnych wszechświatach. I tu jest dokładnie ten sam problem, co poprzednio – takie przejście byłoby niestabilne.

Czyli nie ma co sobie wyobrażać, że kiedyś czarne dziury pozwolą nam na błyskawiczne przemieszczanie się w kosmosie?

– Wyobrażać sobie można, ale to nie jest poważna fizyka.

Nowe badania: astronauci mają zmiany w mózgu nawet przez miesiące po powrocie na Ziemię

NASA zamierza za trzy lata wysłać ludzi na Księżyc w ramach programu Artemis. Kolejne firmy komercyjne oferują wycieczki na orbitę i planują otwieranie kosmicznych hoteli. Czy jednak przebyw...

Czy czarne dziury istnieją?

A czy poważna fizyka ma pewność, że czarne dziury istnieją?

– W praktyce jesteśmy tego pewni, odkąd w zeszłym roku obserwatorium LIGO po raz pierwszy zarejestrowało sygnał fal grawitacyjnych wyemitowanych przez dwie zlewające się masywne czarne dziury. Ten pomiar za jednym zamachem udowodnił istnienie fal grawitacyjnych i czarnych dziur. Formalnie zarejestrowano już dwa takie przypadki, w rzeczywistości były nawet trzy, ale trzeci nie jest uznawany ze względu na bardzo ostre kryteria.

Sygnał z pierwszego przypadku jest niezwykły. Zatkało mnie, kiedy go zobaczyłem. Wygląda dokładnie tak, jak przewidują to obliczenia teoretyczne opisujące zlewanie się czarnych dziur. Gdyby jednak zbadać sprawę bliżej, to okazałoby się, że mogły to być nie czarne dziury, tylko tzw. grawastary – obiekty wymyślone przez matematyków.

Czym różnią się one od czarnych dziur?

– Czarna dziura nie ma materialnej powierzchni, tylko horyzont zdarzeń. Grawastar miałby powierzchnię, ale nie mógłby się składać z normalnej materii, bo jej nie można skurczyć do rozmiarów czarnej dziury. Dlatego grawastary są podejrzane.

To jak sprawdzić, czy to grawastar, czy czarna dziura?

– Już w 2002 r. wraz z Markiem Abramowiczem i Włodzimierzem Kluźniakiem napisaliśmy, w jaki sposób można stwierdzić, czy coś jest czarną dziurą. Kluczem do tego jest sygnał z fal grawitacyjnych. Zespół portugalskiego fizyka Vitora Cardoso postanowił to sprawdzić i stwierdził, że na razie dokładność pomiarów LIGO nie jest wystarczająca, żeby wykluczyć, że sygnał pochodził z grawastarów. Ja nie mam wątpliwości, że pochodził z czarnych dziur.

Gdzie są czarne dziury?

– Są one rozsiane po całym Wszechświecie. Znajdują się w centrach większości galaktyk, więc najbliższa znana nam czarna dziura – wraz z towarzyszącą jej gwiazdą – jest oddalona od Ziemi o ok. 28 tys. lat świetlnych. Są też bliższe, tylko jeśli są samotne, to bardzo trudno je zobaczyć, bo przecież nie świecą.

Ale słyszałam, że są plany sfotografowania takiego obiektu. Jak tego można dokonać?

– Dwa zespoły przymierzają się do zrobienia zdjęcia „sylwetki” czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej. Ponieważ jest ona czarna, to na tle czegoś jasnego będzie się wyraźnie odcinać. Trudność polega na tym, że czarne dziury są malutkie. Ta w centrum naszej galaktyki ma średnicę 24 mln km, ale jest od nas tak daleko, że na niebie ma bardzo małe rozmiary. To tak, jakbyśmy chcieli zobaczyć dwugroszówkę na Księżycu! Obliczono jednak, że jest to możliwe, i już niedługo będą przeprowadzone pierwsze obserwacje. Oby tylko tło było wystarczająco jasne!

Wywiad pochodzi z książki Karoliny Głowackiej i prof. Jeana-Pierre’a Lasoty „Czy Wielki Wybuch był głośny? 11 rozmów o historii i życiu codziennym Wszechświata“

Prof. Jean-Pierre Lasota to fizyk teoretyk i astrofizyk, profesor honorowy w Instytucie Astrofizyki w Paryżu, profesor wizytujący w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika

Czytaj więcej fascynujących artykułów:

Czy Ziemia jest płaska? 10 dowodów obalających ten mit

Przedstawiamy mocne argumenty do dyskusji z pseudonaukowcami, którzy wierzą, że Ziemia jest płaska.

Jak działają baterie grawitacyjne, dzięki którym magazynujemy energię ze źródeł odnawialnych?

Sposób na gromadzenie i przechowywanie energii to jedno z największych wyzwań, przed jakimi stoi nasza cywilizacja. Energii, choćby tej dostarczanej przez słońce, mamy dużo. Problemem jest o...

Albert Einstein: 15 rzeczy, których nie wiedzieliście o tym wybitnym fizyku

Znamy go jako twórcę ogólnej teorii względności. Tymczasem Albert Einstein prowadził fascynujące życie. Oto 15 mniej znanych faktów z życia genialnego naukowca.