Nasz Wszechświat jest dziurawy!

O badaniach czarnych dziur opowiada dr Barbara De Marco.

Spotkanie z naukowcem 4 października 2018, godz. 19.00 >

Choć o czarnych dziurach mówi się od dawna, zrozumienie mechanizmów ich działania nie jest proste. Dlatego zaczniemy tę rozmowę od klasycznego pytania: czym są czarne dziury i w jaki sposób dowiedzieliśmy się o ich istnieniu?

Czarna dziura to punkt czasoprzestrzeni, charakteryzujący się zerową objętością i nieskończoną gęstością. Ten egzotyczny obiekt otoczony jest przez tzw. horyzont zdarzeń – niewidzialną granicę, zza której nie ma już odwrotu. Cokolwiek ją przekroczy, nieuchronnie wpadnie w czarną dziurę. Jej przyciąganie grawitacyjne jest tak silne, że nawet światło nie jest w stanie przed nim uciec. Tak naprawdę nie wiemy, co jest poza horyzontem zdarzeń i co dzieje się w jego centrum - nie ma możliwości, aby coś, co przekroczyło tę granicę, przekazało jakiekolwiek informacje do świata zewnętrznego. 

Moglibyśmy samodzielnie stworzyć czarną dziurę z dowolnego przedmiotu, jeśli tylko udałoby się nam ścisnąć go do rozmiaru horyzontu zdarzeń. Na przykład Ziemia byłaby czarną dziurą, gdyby została skompresowana do rozmiaru monety o nominale 1 grosza. Natura robi takie rzeczy! Czarne dziury są przecież naturalnym końcem życia masywnych gwiazd i wynikiem połączenia innych olbrzymich obiektów.  

Czarnej dziury nie da się bezpośrednio zaobserwować. O jej obecności świadczą charakterystyczne oddziaływania pola grawitacyjnego z otaczającą materią i promieniowaniem elektromagnetycznym. Aby udowodnić istnienie czarnych dziur, musimy udowodnić, że istnieje obiekt o bardzo dużej masie zamkniętej w niewielkim obszarze. Niestety, nasze teleskopy nie mogą (jeszcze!) dostrzec takich obiektów.  

Trudno powiedzieć, kiedy dokładnie dowiedzieliśmy się o istnieniu czarnych dziur. Pierwsze obserwacje systemów przez nie zasilanych sięgają połowy XX wieku. Zidentyfikowano wtedy kilka galaktyk, charakteryzujących się niezwykle jasnym jądrem. Później zdano sobie sprawę, że tylko obecność czarnej dziury, ważącej setki milionów razy więcej niż Słońce, może wytłumaczyć tak dużą ilość energii w tak małym regionie.
Pierwszą powszechnie uznaną czarną dziurą jest jednak ta odkryta w układzie Cygnus X-1 (w gwiazdozbiorze Łabędzia). W 1971 r. dostrzeżono, że gwieździe tego układu towarzyszy obiekt o masie przynajmniej dziesięć razy większej od masy Słońca. (Odkrycie było przedmiotem zakładu pomiędzy fizykami Stephenem Hawkingiem i Kipem Thornem. Hawking twierdził, że to nie czarna dziura, ale już w 1990 r. - jeszcze przed obserwacyjnym potwierdzeniem jej istnienia - przyznał rację Thorne'owi – przyp. red.)

Dzięki gigantycznemu rozwojowi technologii, gromadzimy coraz więcej dowodów na istnienie takich osobliwych obiektów. W 2002 r. potwierdzono obecność supermasywnej czarnej dziury (o 4 milionach mas Słońca) w centrum naszej Galaktyki.

Gdzie szukamy czarnych dziur? Ile ich już odkryliśmy?

Czarne dziury występują we Wszechświecie dość powszechnie. Pojedyncza galaktyka może zawierać miliony, a nawet miliardy mas gwiazdowych zamkniętych w czarnych dziurach. Najlepsze miejsca do powstawania czarnych dziur to strefy o dużej ilości gwiazd, takie jak centrum naszej Galaktyki. Czarne dziury znajdujące się w takich regionach można także łatwiej odkryć – wchodzą przecież w interakcje z gwiazdami. Istnieją solidne dowody na to, że większość, jeśli nie wszystkie, galaktyki mają supermasywną czarną dziurę w środku. Niemniej jednak, jak dotąd wiemy tylko o około 70 czarnych dziurach. Nie łatwo potwierdzić ich istnienie. Nową, testowaną obecnie metodą, jest rejestrowanie fal grawitacyjnych, które wytwarzają czarne dziury łącząc się. 

W jaki sposób bada się już odkryte czarne dziury? 

Przeważnie analizuje się promieniowanie, które emituje otaczający je gaz, powoli wpadający w horyzont zdarzeń. Gaz ten tworzy tzw. dysk akrecyjny, podgrzewany w intensywnym polu grawitacyjnym przez siły tarcia. Temperatura dysku może być 10000 razy większa niż temperatura powierzchni Słońca. Obserwacje pokazały, że można go podgrzać do jeszcze większych temperatur - około miliona razy wyższych niż temperatura Słońca! Gorący gaz jest odpowiedzialny za wytwarzanie dużej ilości promieniowania rentgenowskiego. Badanie promieniowania daje nam wyjątkową okazję do obserwowania zachowania materii w najbliższym otoczeniu czarnej dziury. To z kolei pozwala określić podstawowe parametry czarnej dziury: masę i spin (moment pędu cząstki, wynikający z jej natury kwantowej – przyp. red.). Takie pomiary są nie tylko interesujące same w sobie, ale mają ogromne znaczenie dla zrozumienia roli czarnych dziur w kształtowaniu Wszechświata. Wiemy już, że procesy zachodzące w bardzo małej skali - rzędu rozmiarów horyzontu zdarzeń - mogą wpływać na struktury 10 miliardów razy większe. To pomaga określić sposób powstawania i ewolucji galaktyk. Czarne dziury mogą wywoływać potężne strumienie gorącej plazmy, a także wiatry zjonizowanego gazu, osiągające prędkości zbliżone do prędkości światła. Występowanie tych niesamowitych zjawisk zależy od właściwości czarnych dziur, które wciąż próbujemy w pełni zrozumieć.

Czy któraś z czarnych dziur znajduje się naprawdę blisko Ziemi? 

Najbliższe (znane) gwiezdne czarne dziury znajdują się kilka tysięcy lat świetlnych od nas. Mogą być tez jakieś bliższe, ale nie jesteśmy jeszcze w stanie ich wykryć. Najbliższa supermasywna czarna dziura to ta w centrum naszej Galaktyki, w odległości około 25 000 lat świetlnych. Jednak nawet mając zamiast Słońca czarną dziurę o tej samej masie, nie zauważylibyśmy żadnej różnicy. Pomijając fakt, że zamarzlibyśmy na śmierć!

Dziękuję za rozmowę.
 

Rozmawiała: Katarzyna Nowicka
Data publikacji: 24 września 2018