Wstęp z Wikipedi

Czarna dziura będąca składnikiem układu podwójnego jest widoczna, ponieważ materia z drugiej gwiazdy wsysana do wnętrza czarnej dziury tworzy dysk akrecyjny generujący ogromne ilości promieniowania na skutek tarcia, jonizacji i silnego przyspieszenia podczas zbliżania się do czarnej dziury. Część zjonizowanej materii z dysku pod działaniem pola elektromagnetycznego dysku może uciekać w kierunkach osi, tworząc ogromne dżety (ang. jet). Także masywne czarne dziury w centrach aktywnych galaktyk powodują w nich silnie świecenie, skutkiem opadania otaczającej materii, i dlatego obiekty zawierające czarne dziury należą do najjaśniejszych we Wszechświecie.
 
Atak bzdury
W centrum naszej galaktyki również znajduje się supermasywna czarna dziura nazwana Sagittarius A* (symbol gwiazdki w nomenklaturze czarnych dziur wziął się stąd, że, zgodnie z obecną wiedzą, powstały one w wyniku zapadnięcia się gwiazdy właśnie). Olbrzym ma masę równą 4,3 milionom mas naszego Słońca i znajduje się 27 000 lat świetlnych od naszej planety. Jest to najbliższa nam supermasywna czarna dziura.
Jak dotąd z obserwacji astronomów wynika, że jest ona uśpiona. W porównaniu do innych czarnych dziur, nasz gigant wykazuje minimalną aktywność. Naukowcy nie znają przyczyny takiego dziwnego zachowania, ale wiedzą jedno: gdyby olbrzym mocniej oddziaływał z obiektami w naszej galaktyce, życie na Ziemi nigdy by nie powstało.
W 2011 roku astronomowie dokonali przerażającego odkrycia. Okazało się, że poruszająca się po naszej galaktyce chmura gazowa zmierza bezpośrednio w sam środek uśpionej czarnej dziury. Wcześniej takie obiekty jedynie przepływały w pobliżu olbrzyma, który „połykał” zaledwie minimalną ich część. Teraz „jedzenie” samo zmierza bezpośrednio do niego i być może zbudzi go ze snu. Według naukowców czarne dziury powiększają się właśnie na skutek wciągnięcia chmur gazowych znajdujących się w ich pobliżu. Podczas takiego zjawiska następuje zwiększenie aktywności czarnej dziury, czyli obiekt zaczyna mocniej oddziaływać grawitacyjnie z materią. Oznacza to, że po pochłonięciu przez Sagittarius A* dostatecznie dużej ilości gazu może on zacząć „zjadać” obiekty znajdujące się w naszej galaktyce, czyli m.in. Ziemię.

Chmurę obserwowano już od 2003 roku. Jest ona trzykrotnie większa od Ziemi i początkowo poruszała się z prędkością około 1200 km/s. Przez lata przyspieszała i w tej chwili jej prędkość wynosi 2350 km/s. Obłok kieruje się bezpośrednio w sam środek Sagittariusa A*. Aktualnie gaz jest zimny, ma około 280 st. Celsjusza, ale gdy dotrze do czarnej dziury, jego temperatura gwałtownie wzrośnie.

 
 
Szacowanie masy supermasywnej czarnej dziury wewnątrz Drogi Mlecznej
 
Piotr Stefańczyk Piotr AP Kraków 2007
 
 
Największa czarna dziura – zmierzona
Największą zmierzoną czarną dziurę – o horyzoncie zdarzeń o rozmiarze 20 miliardów kilometrów w poprzek – tak wielkim, że byłby on w stanie wchłonąć nasz system słoneczny w całości.
Dziura znajduje się około 50 milionów lat świetlnych od nas – w centrum galaktyki M87. Masa tej czarnej dziury została zmierzona przy wykorzystaniu teleskopu Frederick C. Gillett Gemini w Mauna Kea na Hawajach. Jej masa wynosi 6 miliardów mas słońca (1 masa słońca = 1,9891×10 do potęgi 30 kg). Dla porównania masa czarnej dziury w Drodze Mlecznej wynosi 4 miliony mas słońca.
Rozmiar czarnej dziury zmierzony został przy użyciu metody porównywania jak szybko gwiazdy obracają się wokół niej. Odkryli, że dla galaktyki M87 prędkość ta wynosi 500 km/s – u nas wynosi ona 220 km/s.
 
Wykład o czarnej dziurze Krystny Wosińskiej z WF PW
 
 
Czarna dziura wg. Einsteina
 
Albert Einstein ogłosił swoją słynną ogólną teorię względności (OTW) w 1915 roku. Zastąpiła ona prawo powszechnego ciążenia Newtona jako teorią lepsza, czyli pełniejsza, wyjaśniająca więcej. Jest ona po dziś dzień najlepszą teorią grawitacji, jaką dysponujemy. Jest jednak klasyczna, czyli niekwantowa, a jako, że istnieje wśród fizyków głęboka wiara, że księga natury napisana jest językiem mechaniki kwantowej, to kontynuowane są poszukiwania kwantowej teorii grawitacji, jako tej jeszcze pełniejszej.

Ogólna teoria względności nie tylko potrafiła wyjaśnić fakty, z którymi nie radziła sobie jej newtonowska poprzedniczka, ale także przewidywała istnienie nowych. W 1916 roku niemiecki fizyk – Karl Schwarzschild znalazł rozwiązanie równania OTW opisującego sferyczną masę, z którego wynikało, że jeśli owa masa skupiona jest w dostatecznie małym obszarze, to pole grawitacyjne na jej powierzchni jest tak silne, że nawet światło nie może z niej uciec i pozostaje tam na zawsze. Przewidywanie to powszechnie uważane jest za „dziecko” ogólnej teorii względności, choć na długo przed jej sformułowaniem, w 1783 roku, profesor Cambridge – John Michell postulował istnienie gwiazd o tak dużej masie i gęstości, że nawet światło nie jest w stanie ich opuścić. Sama OTW nie była więc niezbędna do formułowania takich pomysłów, ale sama jako jedyna radziła sobie z pewnym subtelnym problemem.

Wszyscy wiemy, że kamień rzucony do góry w polu grawitacyjnym Ziemi ma coraz mniejszą prędkość, aż w końcu, na pewnej wysokości, zatrzymuje się i spada z powrotem. Światło ma zawsze tylko jedną prędkość: c, więc jak możliwe jest jego spowolnienie przez masę, która potrafi je uwięzić? Okazało się, że OTW wyjaśnia to bez problemu za pomocą koncepcji takiego zakrzywienia czasoprzestrzeni w rejonie powierzchni gwiazdy, że tor światła ma postać pętli i dlatego zostaje ono zawrócone i nigdzie nie może uciec.

Obiekt, którego istnienie postulowali Michell i Schwarzschild to czarna dziura. Termin ten powstał jednak dość późno, bo ukuł go wybitny amerykański fizyk – John Wheeler dopiero w 1969 roku. Nazwa ta nie spodobała się francuskim fizykom, bo w ich języku czarna dziura (fr. trou noir) ma dwuznaczne konotacje, więc proponowali oni inne określenie: gwiazda ukryta. W końcu jednak termin: "czarna dziura" przyjął się w międzynarodowym środowisku naukowym.

Jak powstaje czarna dziura? Właściwie dla każdej masy można wyznaczyć objętość, wewnątrz której upakowanie tej masy stworzyłoby czarną dziurę. Dla wszystkich przedmiotów, które widzimy wokół siebie na co dzień, ta objętość jest oczywiście mniejsza niż ta, którą one same posiadają. Zmieszczenie takiej samej masy w owej małej objętości wiązałoby się z drastycznym zwiększeniem gęstości. A więc każda masa mogłaby teoretycznie być czarną dziurą, ale potrzebne jest do tego takie ściśnięcie jej, by osiągnęła pewna graniczną gęstość. Dlaczego więc pojęcie czarnej dziury zawsze wiąże się z ogromnymi masami gwiazd? Otóż dlatego, że tylko masy przekraczające
3 masy Słońca (3 Msł) są w stanie osiągnąć ową graniczną gęstość w wyniku zapadania się pod własnym ciężarem. Musimy tu też nadmienić, że dzieje się to wtedy, gdy paliwo do syntez nuklearnych zostaje wyczerpane, bo wtedy znika ciśnienie fotonów, które równoważy grawitację i zapobiega samozapadnięciu gwiazdy. Tak więc nasze Słońce, po wyczerpaniu swego paliwa termonuklearnego nie stanie się czarną dziurą. Wszystkie masy poniżej 3 Msł mogłyby zamienić się w czarne dziury tylko gdyby zostały ściśnięte przez siły zewnętrzne. Znany angielski fizyk – Stephen Hawking postuluje istnienie takich obiektów, które nazwał pierwotnymi czarnymi dziurami. Uważa on, że powstawały one we wczesnej fazie życia wszechświata w wyniku fluktuacji ciśnień. Koncepcja ta pozostaje jednak czysto hipotetyczna, bo jak na razie nie znaleziono przekonujących dowodów na ich realne istnienie.

Prześledźmy teraz proces powstawania czarnej dziury na poniższym rysunku i zastosujmy prawo powszechnego ciążenia Newtona (jest to podejście prymitywne, ale daje rozeznanie zjawiska. Nie możemy zastosować tu OTW ze względu na zbyt skomplikowaną matematykę).

Na powierzchni zapadającej się gwiazdy o masie M (większej niż 3 Msł) siła grawitacji wynosi GMm/R2, gdzie G to stała grawitacyjna, M – masa gwiazdy, m – masa ciała na powierzchni gwiazdy, R – promień gwiazdy.
Dlaczego promień gwiazdy występuje w tej zależności skoro ciała stykają się (rys. 1a), a we wzorze Newtona występuje R jako odległość? Otóż dlatego, że gwiazda ma swoją rozciągłość, a Newton jako pierwszy pokazał, że siła na powierzchni ciała kulistego o masie M i promieniu R jest równa sile, jaką w odległości R wywierałaby masa M umieszczona cała w środku tej kuli. Możemy więc wyobrazić sobie masę M i m jako dwa punkty oddalone od siebie o R (rys 1b).

czarna dziura

Gdy gwiazda samoistnie zaczyna zapadać się, zmniejsza się jej promień (R), czyli siła grawitacji na jej powierzchni wzrasta, bo R znajduje się w mianowniku. Jak wynika z obliczeń, dla pewnego R granicznego (Rg) siła ta jest tak duża, że nawet światło nie jest w stanie opuścić powierzchni gwiazdy. Wtedy to staje się ona czarną dziurą. Cała mieści się pod sferą o promieniu Rg (rys.2 powyżej). Ta sfera nosi nazwę horyzontu zdarzeń, a promień tej sfery czyli promień graniczny – to promień Schwarzschilda.

Wzór na promień Schwarzschilda:

Rozmiar: 447 bajtów

gdzie: Rg – promień Schwarzschilda, M – masa ciała, G – stała grawitacji, c – prędkość światła.

Reasumując: każdej masie można przypisać charakterystyczny dla niej, bo zależny od niej promień Schwarzschilda. Staje się ona czarną dziurą dopiero wtedy, gdy cała znajdzie się wewnątrz sfery o promieniu Schwarzschilda. Samoistne ściśnięcie jej do takiej objętości jest możliwe tylko dla mas > 3 masy Słońca i to po wyczerpaniu wszelkiego paliwa termonuklearnego.

Co dzieje się po przekroczeniu przez kulę zapadającej się materii horyzontu zdarzeń? Co dzieje się pod nim? Tego nie potrafimy zaobserwować, bo jak wiadomo, żaden foton niosący informację nie jest się w stanie stamtąd wydostać. Jednak OTW przewiduje, że proces samozapadania kontynuowany jest dalej, aż do osiągnięcia osobliwości – punktu o zerowej objętości, nieskończonej gęstości materii i nieskończonym zakrzywieniu czasoprzestrzeni. Istnienie takiego punktu jest niezgodne z kwantową zasadą nieoznaczoności, poza tym pojawienie się wartości nieskończonych to alarm dla każdej teorii. A więc uważa się powszechnie, że w osobliwościach OTW załamuje się i potrzebna jest jeszcze pełniejsza teoria – kwantowa grawitacja, która pokaże do jakiego „skończonego” obiektu zapada się czarna dziura. Na dzień dzisiejszy teorii kwantowej grawitacji nie ma.

Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, entropia całego Wszechświata nie maleje. Gdybyśmy przyjęli, że czarne dziury, będące częścią Wszechświata, mają zerową entropię, to moglibyśmy bezkarnie wrzucać do nich różne przedmioty o niezerowej temperaturze (z którymi zawsze związana jest niezerowa entropia). Co okazałoby się? Otóż entropia dodatnia przedmiotu zerowałaby się, czyli entropia Wszechświata malałaby. Jest to problem, bo otrzymalibyśmy niezgodność z II zasadą termodynamiki.

Problem ten da się rozwiązać przy założeniu, że czarna dziura ma niezerową entropię. Gdy wrzucamy do niej przedmiot niosący entropię, to jej masa wzrasta. Jej entropia też powinna wzrosnąć. A więc należy podejrzewać zależność pomiędzy masą czarnej dziury, a jej entropią. A do masy proporcjonalny jest promień Schwalschilda, czyli także horyzont zdarzeń. Tak rozumował Jacob Beckenstein, który jako pierwszy postulował, że czarna dziura ma entropię i jest ona proporcjonalna do powierzchni jej horyzontu zdarzeń. Ścisły wzór na entropię czarnej dziury wyprowadził w 1974 roku Stephen Hawking:

Rozmiar: 548 bajtów

gdzie: A – powierzchnia horyzontu zdarzeń czarnej dziury, k – stała Boltzmanna, c – prędkość światła, ħ – stała Plancka/2π, G – stała grawitacyjna.

Było tylko jedno „ale”. Jak głosi termodynamika, ciało o niezerowej entropii ma niezerową temperaturę. A jeśli tak, to musi ono promieniować. Nie byłoby w tym nic dziwnego, ale czarna dziura z definicji nie może promieniować, bo nic się z niej nie wydostaje. Na pomoc przyszły jednak fluktuacje pól kwantowych. W pobliżu horyzontu zdarzeń (po jego zewnętrznej stronie), w wyniku owych fluktuacji powstają pary cząstek wirtualnych. Jedna ma energię ujemną, druga dodatnią. W silnym polu grawitacyjnym czarnej dziury cząstka o energii ujemnej może stać się rzeczywistą. Wtedy to nie musi anihilować z drugą i ta może odlecieć w przestrzeń kosmiczną, stając się częścią promieniowania czarnej dziury. Z obliczeń wynika, że temperatura czarnej dziury o masie kilku mas Słońca wynosi kilka dziesięciomilionowych stopnia K, czyli jest bardzo nikła. Im większą czarna dziura ma masę, tym niższą ma temperaturę. Ścisłą zależność przedstawia poniższy wzór:

Rozmiar: 623 bajtów

gdzie: T – temperatura czarnej dziury, k – stała Boltzmanna, c – prędkość światła, ħ – stała Plancka/2π, G – stała grawitacyjna, M – masa czarnej dziury.

Jako pierwsi na pomysł kwantowego parowania czarnych dziur wpadli rosyjscy fizycy: J. Zeldowicz i A. Starobinski. Ich koncepcja dotyczyła jednak tylko obracających się czarnych dziur. Stephen Hawking zauważył, że parowanie dotyczy również czarnych dziur bez rotacji. Owo przewidywane zjawisko jest elegancką hipotezą, dotychczas niepotwierdzoną, ze względu na nikłość owego promieniowania. Jest pierwszym przebłyskiem kwantowej grawitacji – mariażu OTW z mechaniką kwantową.

Pozostaje jeszcze bardzo istotne zagadnienie: Czy czarne dziury istnieją w kosmosie? Czy odkryto jakąś czarną dziurę? Sam Albert Einstein był bardzo sceptycznie nastawiony do możliwości istnienia tych obiektów. Zgadzał się, że wynikają one z OTW, ale podejrzewał, że są to jej puste rozwiązania, czyli nie są w przyrodzie realizowane.

Ostatnie lata pokazały jednak, że Einstein był zbyt sceptyczny. Dotychczas odkryto kilka prawie pewnych czarnych dziur, np.: Cygnus X-1, A0620-00 Monoceros, V-404 Cygni, Nova Sco 1994. Zebrano też mocne dowody na istnienie supermasywnych czarnych dziur w centrach takich galaktyk jak M87 (czarna dziura o masie 2-3 miliarda Msł), M31 – Andromeda (o masie 6 milionów Msł), M32 i nasza galaktyka (o masie 4 milionów Msł).

Jak tego dokonano? Przecież czarne dziury z definicji są zupełnie niewidoczne (kwantowe promieniowanie jest bardzo słabe). Otóż sprawa i tym razem nie przedstawia się beznadziejnie. Istnieje wiele dowodów pośrednich na ich istnienie, czyli dowodów, które nie są zdjęciem czarnej dziury, ale obrazem tego jak jej obecność wpływa na jej otoczenie (a analiza tego wpływu jednoznacznie na nią wskazuje). Są to np.:

  • wpływanie za pomocą swojej grawitacji na ruch innych ciał, np. w układzie podwójnym z widoczną gwiazdą. Analiza toru ruchu widocznej gwiazdy i jej prędkości pozwala ustalić położenie i masę czarnej dziury. Jeśli z obliczeń wynika, że druga gwiazda ma masę powyżej 3 Msł, a pozostaje zupełnie niewidoczna, to jest to czarna dziura.
  • materia spadająca na czarną dziurę tworzy dysk akrecyjny, w którym cząstki wskutek wzrostu swojej energii kinetycznej kosztem grawitacyjnej energii potencjalnej, rozgrzewają się tak mocno, że emitują promieniowanie rentgenowskie. Nie pochodzi ono oczywiście z wnętrza czarnej dziury, ale z jej pogranicza i można dokonywać jego detekcji.
  • czarna dziura może znaleźć się pomiędzy Ziemią i obserwowaną gwiazdą lub galaktyką. Działa wtedy jak niewidoczna soczewka grawitacyjna i dokonuje zwielokrotnienia obrazu obiektu, obserwowanego przez silne zakrzywienie torów biegnących do nas promieni świetlnych.

Może się to wydać nieco szokujące, ale możliwe jest również zebranie dowodów bezpośrednich istnienia tajemniczych obiektów omawianych w tym artykule. Musimy tylko przez chwile pomyśleć… Jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że kosmos jest czarny, a na jego tle świecą gwiazdy. A może by tak negatyw? Kosmos świeci i na tym tle czarna dziura? Czasami, w rzadkich konfiguracjach, jest możliwe otrzymanie obrazu czarnej dziury w postaci czarnego krążka na tle obłoku rozżarzonego gazu, który wypełnia jakąś przestrzeń w kosmosie. Właśnie taki obraz otrzymali niedawno amerykańscy astronomowie.

Metody wykrywania czarnych dziur
 

Istnieje wiele śladów, wskazujących na obecność czarnych dziur w kosmosie. Astronomowie wytypowali kilka najważniejszych obiektów (zjawisk), które należy obserwować aby potwierdzić (bądź wykluczyć) ich istnienie w postaci czarnych dziur. Do takich "podejrzanych" obiektów (tropów) zaliczyć możemy:

(1) większe skupiska masy w niewielkich, ciemnych regionach wszechświata
(2) promieniowanie roentgenowskie
(3) obiekty, których promieniowanie przesunięte jest w kierunku czerwonego i niebieskiego widma
(4) układy podwójne gwiazd
(5) kwazary
(6) fale grawitacyjne

(1)   W jaki sposób astronomowie odkrywają czarne dziury skoro nie możemy ich zobaczyć? Pierwszym śladem, w kierunku którego podążyli naukowcy, były duże skupiska materii, znajdujące się w małych ciemnych obszarach przestrzeni kosmicznej. Znaleziono takie miejsca w centrach galaktyk oraz w emitujących promienie X układach podwójnych naszej Galaktyki. Obserwując prędkość gwiazd i gazów krążących wokół jądra galaktyki, obliczono masę owych ciemnych obszarów. Im szybciej poruszają się obiekty, tym silniejsze pole grawitacyjne jest potrzebne aby utrzymać je na właściwej orbicie. Stąd wniosek, iż te ciemne regiony muszą być czarnymi dziurami.

(2)   Materia krążąca wokół czarnej dziury tworzy strukturę zwaną dyskiem akrecyjnym. Dysk ten wysyła podwójny strumień cząstek w kierunku prostopadłym. Strumienie te emitują bardzo silne promienie X, które mogą być wykryte przez specjalne teleskopy. Znajdując tak silne źródło promieniowania roentgenowskiego astronomowie zdążają ku wykryciu czarnej dziury.

(3)   Inną metodą wykrywania czarnych dziur jest badanie obiektów, posiadających widma czerwone i niebieskie. Jeżeli obserwujemy obiekty oddalające się, wówczas widmo jest czerwone – zjawiskiem przeciwnym jest obserwacja widma niebieskiego (obiekty przybliżające się). Badanie widma czerwonego jednej części dysku akrecyjnego i niebieskiego – drugiej – pozwala oceniać jak szybko się on obraca. Poza tym można określić wielkość dysku (znacznie bardziej skomplikowane zadanie) oraz masę materii rotującej. Jeżeli prędkość rotacji dysku jest bardzo duża, a materia przekracza masę 2-3 Słońc, możemy przypuszczać, że znaleźliśmy czarną dziurę.

(4)   Układy podwójne są parami gwiazd, okrążających siebie nawzajem. Istnieją dwie metody wykrycia tego, że jedna z takich gwiazd jest czarną dziurą. W przypadku kiedy jeden obiekt jest czarną dziurą, materia z drugiego obiektu jest wsysana tworząc dysk akrecyjny, wkręcający się w czarną dziurę. Im bliżej czarnej dziury materia się znajduje, tym jest gorętsza i wysyła olbrzymie ilości promieniowania, głównie w zakresie widma promieni X. Astronomowie potrafią również odkryć czarną dziurę, będącą w układzie podwójnym, nawet jeśli jedna z gwiazd jest niewidoczna. Widzialny obiekt orbituje wokół niewidzialnego w sposób nieco "chwiejny". Takie zachowanie się widocznego obiektu sugeruje obecność czarnej dziury.

(5)   Również obiekty zwane kwazarami są podejrzane. Ponieważ znajdują się one w najstarszych częściach kosmosu (bardzo daleko) posiadają wyjątkowo dużą jasność (wyglądają jak gwiazdy). Jednak aby świecić tak jasno musiałyby mieć masę ponad 10 milionów Słońc. Kolejną ciekawą własnością tych obiektów są nieregularne (bardzo szybkie) fluktuacje. Średnica kwazarów bardzo szybko się zmienia. Jeżeli byłyby rzeczywiście tak ogromnymi gwiazdami, materia musiałaby poruszać się szybciej niż światło, co jest sprzeczne z naturą. Jaki z tego wniosek? Otóż kwazary muszą być małe a zatem nie mogą być gwiazdami. Wydedukowano stąd, że mogą być one czarnymi dziurami.

Zidentyfikowane czarne dziury

 

Galaktyka Uwagi Konstelacja Typ Odległość (*1) Jasność (*2) Masa(*3)
Droga Mleczna – – Sbc 28 000 1.9 2 mln
NGC224=M31 Mgławica Andromedy Andromeda Sb 2.3 mln 5.2 30 mln
NGC221=M32 Satelita M31 Andromeda E2 2.3 mln 0.25 3 mln
NGC3115 – Sekstans SO 27 mln 14.2 2 mln
NGC3377 Grupa galaktyk Lew Panna E5 32 mln 5.2 100 mln
NGC3379=M105 Grupa galaktyk Lew Panna E1 32 mln 13 50 mln
NGC4151 gaz wykryty przez STIS – – – – –
NGC4258=M106 detekcja masera Psy Gończe Sbc 24 mln 1.3 40 mln
NGC4261 dysk akrecyjny wielkości 800 ly Panna E2 90 mln 33 400 mln
NGC4374=M84 wykryta przy pomocy STIS Panna – 50 mln – 300 mln
NGC4486=M87 Bardzo jasna Panna E0 50 mln 56 3 mld
NGC4486b Satelita M87 Panna E0 50 mln 0.82 500 mln
NGC4594=M104 "Sombrero" Panna Sa 30 mln 47 1 mld
NGC6251 – – – – – –
NGC7052 strumienie materii wyrzucane z dysku akrecyjnego Lisek E 191 mln ? 300 mln

(*1) – jednostka w latach świetlnych

(*2) – jednostka jasności jednego miliarda Słońc

(*3) – jednostka jednej masy Słońca

 

Eioba

 

Czy Eistein się mylił co do czarnej dziury

Einstein i inni fizycy uważali, że gwiazda nigdy w sposób naturalny nie mogłaby się zmienić w tak przerażający obiekt. W 1939 roku Einstein opublikował nawet artykuł, w którym dowodził, że obracająca się masa gazu i pyłu nigdy nie zagęści się do postaci czarnej dziury. Chociaż więc w środku czarnej dziury czaił się tunel czasoprzestrzenny, Einstein był przekonany, że tak dziwny obiekt nie mógłby nigdy powstać w sposób naturalny. Astrofizyk
Arthur Eddington powiedział nawet kiedyś, że powinno istnieć „jakieś prawo przyrody zabraniające gwieździe zachowywać się tak absurdalnie”. Innymi słowy, czarna dziura rzeczywiście była pełnoprawnym rozwiązaniem równań Einsteina, nie był jednak znany żaden naturalny mechanizm prowadzący do powstania takiego obiektu.
Wszystko się zmieniło wraz z ukazaniem się jeszcze w tym samym roku artykułu J. Roberta Oppenheimera i jego studenta Hartlanda Snydera, w którym wykazali oni, że czarne dziury mogą jednak powstawać w wyniku naturalnych procesów. Uczeni założyli, że umierająca gwiazda, która zużyła całe swoje paliwo jądrowe, zapada się pod wpływem grawitacji i zostaje zgnieciona pod własnym ciężarem. Gdyby grawitacja zdołała ścisnąć gwiazdę do rozmiaru mniejszego od jej horyzontu zdarzeń, wtedy żaden znany nauce proces nie zdołałby powstrzymać grawitacji przed zgnieceniem jej do rozmiaru cząstki punktowej, do czarnej dziury. (To zjawisko grawitacyjnej implozji być może było dla Oppenheimera inspiracją kilka lat później, gdy konstruował bombę, którą następnie zrzucono na Nagasaki, a której działanie opierało się na implozji kuli plutonu).
Do kolejnego przełomu doszło w roku 1963, gdy matematyk z Nowej Zelandii Roy Kerr przeprowadził analizę najbardziej chyba realistycznego przykładu czarnej dziury. Kurczące się obiekty coraz szybciej wirują, podobnie jak łyżwiarze figurowi kręcą szybsze piruety, gdy przyciągają ręce blisko ciała. Dlatego czarne dziury powinny się obracać w fantastycznym tempie.
Kerr odkrył, że wirująca czarna dziura nie zapadnie się do gwiazdy o rozmiarze punktu, jak zakładał Schwarzschild, ale przekształci się w wirujący pierścień. Każdy nieszczęśnik, który uderzyłby w ten pierścień, zginąłby; ale ktoś, komu udałoby się wpaść do środka, nie straciłby życia, lecz przeleciałby na drugą stronę. Jednak nie dotarłby wcale na drugą stronę pierścienia, ale przeszedłszy przez most Einsteina–Rosena znalazłby się w innym wszechświecie. Można więc powiedzieć, że wirująca czarna dziura jest ramą magicznego lustra Alicji.
Gdyby taka osoba okrążyła wirujący pierścień i przeszła przezeń po raz drugi, wkroczyłaby do jeszcze innego wszechświata. Kolejne przejścia przez wirujący pierścień powodowałyby przedostawanie się podróżnika do kolejnych wszechświatów równoległych, co można by porównać z naciskaniem guzika „następne piętro” w windzie. W zasadzie mogłaby istnieć nieskończona liczba wszechświatów, jeden nad drugim. „Przejdź przez ten magiczny pierścień i – presto! – znajdujesz się w zupełnie innym wszechświecie, gdzie promień oraz masa są ujemne!” – pisał Kerr.
Tkwi w tym wszystkim jednak pewien istotny haczyk. Czarne dziury są przykładami „jednokierunkowych tuneli czasoprzestrzennych”; to znaczy przejście przez horyzont zdarzeń jest podróżą tylko w jedną stronę. Jeżeli przekroczymy horyzont zdarzeń i przejdziemy przez pierścień Kerra, droga powrotna przez pierścień i na zewnątrz poza horyzont nie będzie już możliwa.
Jednak w 1988 roku Kip Thorne wraz z kolegami z Cal Tech znalazł przykład dwukierunkowego tunelu czasoprzestrzennego, to znaczy takiego, przez który można swobodnie przechodzić tam i z powrotem. W przypadku jednego z rozwiązań, podróż przez tunel czasoprzestrzenny nie powinna nawet być gorsza od rejsu samolotem.
W normalnej sytuacji grawitacja zgniotłaby wlot do tunelu czasoprzestrzennego, zabijając astronautów próbujących przedostać się na drugą stronę. Jest to jeden z powodów, dla których nie można podróżować przez tunele czasoprzestrzenne szybciej od światła. Jednak można sobie wyobrazić, że siła odpychająca towarzysząca ujemnej energii lub ujemnej masie mogłaby spowodować, że wlot tunelu będzie otwarty wystarczająco długo, by astronauci mogli swobodnie przezeń przejść. Wynika stąd, że ujemna masa lub energia są kluczowe zarówno dla napędu Alcubierrego, jak i podróży przez tunele czasoprzestrzenne.
W czasie ostatnich kilku lat znaleziono zadziwiająco wiele rozwiązań równań Einsteina zezwalających na istnienie tuneli czasoprzestrzennych. Ale czy takie tunele rzeczywiście istnieją, czy też są tylko matematycznym wytworem? Z tunelami czasoprzestrzennymi wiąże się kilka poważnych problemów.
Po pierwsze, aby wytworzyć potężne zniekształcenia przestrzeni i czasu konieczne do odbycia podróży przez tunel czasoprzestrzenny, potrzebne byłyby olbrzymie ilości dodatniej i ujemnej materii, wielkości ogromnej gwiazdy lub czarnej dziury. Matthew Visser, fizyk z Uniwersytetu Waszyngtońskiego, szacuje, że ilość ujemnej energii potrzebnej do otwarcia jednometrowego tunelu czasoprzestrzennego jest porównywalna z masą Jowisza, tyle tylko, że musiałaby ona być ujemna. Twierdzi, że „do wykonania tego zadania potrzebna jest mniej więcej minus jedna masa Jowisza. Nawet posługiwanie się dodatnią masą-energią Jowisza jest dosyć przerażające i daleko przewyższa nasze możliwości w dającej się przewidzieć przyszłości”.
Kip Thorne z California Institute of Technology przypuszcza, iż „w przyszłości okaże się, że prawa fizyki wprawdzie dopuszczają zgromadzenie w tunelu wielkości człowieka dostatecznej ilości egzotycznej materii, by tunel był stabilny, ale osiągnięcie tego będzie całkowicie niewyobrażalne dla ludzkiej cywilizacji”.
Po drugie, nie mamy pojęcia, jak bardzo stabilne byłyby takie tunele. Wytwarzane przez nie promieniowanie mogłoby zabić każdego, kto do nich wejdzie. Być może też takie tunele nie byłyby w ogóle stabilne i zamykałyby się, gdy tylko ktoś wszedłby do ich wnętrza.
Po trzecie, promienie światła wpadające do czarnej dziury ulegałyby przesunięciu ku błękitowi; to znaczy, w miarę zbliżania się do horyzontu zdarzeń, uzyskiwałyby coraz większą energię. W rzeczywistości na samym horyzoncie zdarzeń światło ma praktycznie nieskończone przesunięcie ku błękitowi, co oznacza, że promieniowanie takiej wpadającej energii mogłoby spowodować śmierć wszystkich, którzy znajdowaliby się w pojeździe kosmicznym.
 

Michio Kaku

Kejow

Publikacje pomocnicze

Ps.

1. Post ma charakter popularyzacji nauki i stanowi zaczatek do dyskusji