Odpowiedź :
Tak czarne dziury na prawdę istnieją .Ponieważ, ogólna teoria względności istnienia opisuje grawitację jako zakrzywienie czasoprzestrzeni, spowodowane obecnością skupionej materii.
Ogólna teoria względności Einsteina opisuje grawitację jako zakrzywienie czasoprzestrzeni, spowodowane obecnością skupionej materii. Niewielka krzywizna pozwala obserwować otaczający nasz świat, stosując powszechne prawo grawitacji Newtona. Na przykład niezmienny ruch planet. Bardziej masywne i gęstsze obiekty wytwarzają silniejszą siłę grawitacji. Najgęstsze twory, mające tak silną grawitację, że nic - nawet światło, nie może wydostać się spod ich wpływu, przewidziane przez teorię względności, noszą nazwę czarnych dziur.
Dlaczego czarne? Główną przyczyną jest fakt, że światło nie może uciec ze środka czarnej dziury: po prostu znika ono z widzialnego wszechświata. Czy czarne dziury rzeczywiście istnieją? Większość naukowców potwierdza to na podstawie coraz większej liczby danych obserwacyjnych. Również współczesne teorie dotyczące Wielkiego Wybuchu przewidują istnienie osobliwości i czarnych dziur. Sam Einstein żywo zaprzeczał ich obecności wierząc, jak większość ówczesnych fizyków, że czarna dziura jest zwykłym matematycznym dziwactwem. Zmarł w 1955 roku, zanim termin "czarna dziura" został wymyślony, zrozumiany, i zanim udowodniono, na podstawie przeprowadzonych obserwacji, jej istnienie.
Czarne dziury powstają w wyniku kolapsu grawitacyjnego (zapadania się) gwiazd lub innych masywnych obiektów, formując tzw. osobliwość - twór o nieskończonej gęstości. Gwiazda w ciągu swojego życia, w wyniku ciągle w niej zachodzących reakcji termojądrowych, generuje promieniowanie elektromagnetyczne, zawierające fotony (cząstki światła). Promieniowanie to wpływa na zewnętrzne ciśnienie, idealnie równoważąc wewnętrzny wpływ siły grawitacyjnej, wytwarzanej przez gwiazdę. Kiedy paliwo jądrowe zostaje wyczerpane, zmniejsza się ilość promieniowania wysyłanego przez gwiazdę, co powoduje przewagę grawitacji a tym samym powolne zapadanie się gwiazdy. W wyniku kontrakcji jądra obiektu, wzrasta wewnętrzna temperatura a pozostałe resztki materiału nuklearnego zostają użyte jako paliwo. Gwiazda chwilowo przestaje się zapadać.
W przypadku kiedy cały zapas paliwa zostanie wyczerpany, kolaps jest nieunikniony. Jak daleko będzie się on posuwał, w co przekształci się zapadający się obiekt, zależy głównie od masy gwiazdy. Jeżeli jest wystarczająco masywna lub ściśliwa, może się przekształcić w czarną dziurę. Jeżeli jednak jej masa jest niewielka bądź materiał, z którego powstała - gęsty, wówczas taka gwiazda staje się białym karłem lub gwiazdą neutronową.
Zgodnie z definicją, czarna dziura jest obszarem, gdzie zapadnięta materia ma nieskończoną gęstość i w związku z tym zakrzywienie czasoprzestrzeni jest maksymalne. Co więcej intensywne pole grawitacyjne, wytwarzane przez takie obiekty, uniemożliwia cząstkom światła i innym formom promieniowania elektromagnetycznego ucieczkę na zewnątrz. Jednak pojawia się pytanie, gdzie dokładnie znajduje się ów graniczny punkt, po przekroczeniu którego materia i energia giną z widzialnego wszechświata.
Stosując się do równań pola Einsteina dotyczących zapadających się gwiazd, niemiecki astrofizyk, Karl Schwarzschild, wyprowadził krytyczny promień zadanej masy, dla którego materia zapada się w tzw. osobliwość. Dla czarnej dziury o masie równej 10 Słońcom, taki promień wynosi około 30 kilometrów, natomiast obwód - 189 kilometrów.
Najprościej można sobie wyobrazić czarną dziurę (czarna dziura Schwarzschilda) jako sferę. Centralnym punktem takiego obiektu jest osobliwość, zaś cała powierzchnia znana jest jako tzw. horyzont zdarzeń. Nic nie może wydostać się poza niego, stąd nie jesteśmy w stanie ocenić wyglądu wnętrza czarnej dziury.
Horyzont zdarzeń "pojawia się" w momencie kiedy gwiazda osiąga krytyczny obwód. Dlaczego "pojawia się"? Ponieważ promienie świetlne złapane w pułapkę są izolowane od tych, którym udało się umknąć przed wpływem silnego pola grawitacyjnego. Jednak część uciekających promieni mimo wszystko zostanie przechwyconych przez czarną dziurę - tak się dzieje, gdy w tym czasie część materii lub energii do niej "wpadnie", zwiększając tym samym jej siłę grawitacyjną. Stąd horyzont zdarzeń wytyczony jest przez te "krytyczne" promienie świetlne, które nigdy nie wydostaną się poza powierzchnię czarnej dziury.
Jak już zostało wcześniej wspomniane, w centrum czarnej dziury znajduje się osobliwość, w której materia zostaje zmiażdżona, osiągając nieskończona gęstość, przyspieszenie siły ciężkości jest niewyobrażalnie duże a czasoprzestrzeń zakrzywia się maksymalnie. W tym momencie nie możemy już mówić o czasie i przestrzeni, tym bardziej czasoprzestrzeni. Zapętlona w osobliwości nie posiada już takich własności jakie znamy. Wszelkie znane prawa fizyczne przestają obowiązywać, nawet te przewidziane przez Einsteina, zgodne z ogólną teorią względności. Wchodzimy w obszar kwantowej grawitacji, tzn. taką dziwaczną rzeczywistość, w której przestrzeń i czas są rozdzielone, przyczyna i skutek - nieokreślone. Nawet teraz naukowcy nie są w stanie podać satysfakcjonującej teorii, dotyczącej zdarzeń, mających miejsce w głębi czarnej dziury.
Nie dziwi nas fakt, że w ciągu swojego życia, Einstein odrzucał możliwość istnienia osobliwości. Implikacje mogące z tego faktu wyniknąć były tak wstrząsające, że nawet w końcu lat 60-tych fizycy ciągle przypuszczali, że natura wszechświata odrzuca istnienie takich obiektów jak "nagie osobliwości". Gdyby tak było, owe twory odmieniłyby cały wszechświat w sposób niemożliwy do przewidzenia. W związku z tym istniejące w kosmosie osobliwości muszą być "otulone" wewnątrz czarnych dziur (jest to tzw. kosmiczna cenzura).
Nie możemy zaglądać do wnętrza czarnych dziur. Osobliwością rządzi przypadkowość. Zatem co tak naprawdę wiemy o nich? W jaki sposób poznać ich sekrety? Odpowiedzią (przynajmniej częściową) jest zrozumienie początkowego etapu ewolucji tych obiektów. Istnieją dwa możliwe, częściowe rozwiązania równań Einsteina, dotyczące czarnych dziur:
Istniej� dwa mo�liwe, cz��ciowe rozwi�zania r�wna� Einsteina, dotycz�ce czarnych dziur:
* nie obracająca się, sferycznie symetryczna czarna dziura, postulowana przez Schwarzschilda (zobacz rozwiązanie analityczne)
* obracająca się, sferyczna czarna dziura przewidziana w 1964 roku przez nowozelandzkiego matematyka, Roya Kerra (zobacz rozwiązanie analityczne)
Oba typy czarnych dziur są "stacjonarne" czyli niezmienne w czasie, przynajmniej do czasu dopóki ich spokój nie zostanie w jakiś sposób zakłócony. Wobec tego są jednymi z najprostszych do opisania obiektów znanych w ogólnej teorii względności. Wystarczy podać dwie zmienne określające masę i moment pędu. Teoretycznie czarne dziury mogą posiadać również pewien ładunek elektryczny, jednak szybko przyciągnie on taki sam o przeciwnym znaku. W związku z tym w każdej "rzeczywistej" czy astrofizycznej czarnej dziurze ostateczny ładunek będzie dążył do zerowej wartości. Ten fakt dowodzi prostoty tych obiektów - oprócz dwóch wyżej wymienionych charakterystycznych wielkości (masa i moment pędu) nie posiada innych. Jak się jednak okazuje, nie wszystko jest takie proste.
Czarne dziury formują się w wyniku różnorakich skomplikowanych procesów. Kiedy czarna dziura powstaje przez zapadnięcie się bardzo masywnej gwiazdy, lub kiedy jej obecność narusza inna czarna dziura, wkręcająca się w nią, skutkiem są zakłócenia czasoprzestrzenne, prowadzące do generowania fal grawitacyjnych.
Cyfrowe rozwiązania równań Einsteina, dokonane przy pomocy komputerów o ogromnej mocy, pozwoliły naukowcom zasymulować emisję fal grawitacyjnych, wytwarzanych przez zaburzone lub wzajemnie na siebie odziaływujące czarne dziury. Wizualizacja takiej symulacji pozwala dostrzec nie tylko intrygujące ale też piękne wzory fal.
Emitując fale grawitacyjne, niestacjonarna czarna dziura traci energię, ewentualnie może stać się nieruchomym obiektem obniżającym swoją energię przez promieniowanie. Mówiąc inaczej, zmierzająca ku swemu końcowi, nieruchoma czarna dziura, jest idealnie sferyczna a jej rotacja - jednostajna, Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina, takie obiekty nie mogą generować fal grawitacyjnych.
Pomimo iż nie jesteśmy w stanie zobaczyć czarnej dziury (skoro nawet światło nie umknie spod wpływu jej pola grawitacyjnego), możemy jednak zaobserwować wpływ na pobliską materię. Dla przykładu, gaz pochodzący z niedalekiej gwiazdy zostaje wessany do czarnej dziury, silna energia grawitacyjna podgrzeje ów gaz do miliona stopni. Powstające w wyniku tego promienie X wskazują na istnienie czarnej dziury.
Albo jeżeli masywna czarna dziura otoczona jest olbrzymią liczbą obiektów obracających się (nawet gaz lub pył), wówczas szybki ich ruch skierowany do wnętrza tej czarnej dziury może być obserwowalny dzięki zmianom w emisji energii.
Jednak są to dowody pośrednie i nieprzekonywujące. Potwierdzeniem faktycznego istnienia czarnych dziur jest obserwacja fal grawitacyjnych, które są wytwarzane w czasie formowania się lub interakcji z innymi obiektami.
2
Czarne dziury stanowią jedne z najbardziej osobliwych tworów ludzkiej myśli. Gdy tylko idea tak niezwykłego ciała niebieskiego opuściła zacisze naukowych gabinetów i przedostała się do świadomości przeciętnego zjadacza chleba, wzbudziła nie lada sensację i pewne zaniepokojenie. Nagle dowiedzieliśmy się, że gdzieś tam w kosmosie istnieją być może nienasycone żarłoki, gotowe połknąć wszystko co stanie na ich drodze, a już w szczególności naszą starą Ziemię, wraz z wszystkimi czytelnikami prasy sensacyjnej. Wszak co wpadnie w czarną dziurę, nie może się już z niej wydostać, nieprawdaż?
A prawdaż, choć nasuwa mi się nieodparcie anegdota o wygranym samochodzie i skradzionym rowerze. Czarna dziura faktycznie jest niezwykła. Istnienie “czarnej gwiazdy” przewidział jeszcze w XVIII wieku Anglik John Michell. Jego rozumowanie było niezwykle proste: dla każdego ciała niebieskiego — planety czy gwiazdy — można obliczyć tak zwaną prędkość ucieczki. Jest to prędkość jaką należy nadać na przykład rakiecie, startującej z powierzchni, by opuściła strefę przyciągania grawitacyjnego planety i odleciała w siną dal. Jeżeli rakieta będzie miała chyżość mniejszą od prędkości ucieczki, nigdy nie oddali się od planety. Im większą masę i mniejszy promień ma planeta (albo gwiazda), tym większa jest prędkość ucieczki. Dla Ziemi wynosi ona około 11 km/s, dla dużo większego Słońca już 620 km/s. Można sobie wyobrazić tak masywną gwiazdę, że prędkość ucieczki przekroczy prędkość światła, a wtedy nawet fotony nie zdołają się wydostać z grawitacyjnej pułapki i niczego nie zobaczymy. Gwiazda będzie “czarna”.
Rozumowanie powyższe, choć zupełnie poprawne, ledwie ociera się o prawdziwą naturę czarnych dziur. Do zrozumienia zdumiewającej istoty problemu potrzeba było wielkiej rewolucji w fizyce, która dokonała się na początku XX wieku, za sprawą niejakiego Alberta Einsteina. Ogłosił on w roku 1915 równania swojej teorii grawitacji, znanej szerzej pod nazwą Ogólnej Teorii Względności. Efektem jego pracy była gruntowna rewizja dotychczasowych poglądów na temat struktury czasu i przestrzeni. Jednym z rozwiązań równań Einsteina jest zwariowany obiekt, którego cała masa skupiona jest w jednym punkcie, zwanym osobliwością, a geometria czasoprzestrzeni zabrania ucieczki czemukolwiek, co znajdzie się w odległości mniejszej niż tak zwany promień Schwarzschilda. W osobliwości gęstość materii jest nieskończona, co wydaje się sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem. Tak się jednak składa, że we współczesnej fizyce mało co brzmi rozsądnie i nikogo to już dziś nie wzrusza. Żeby było ciekawiej, w pobliżu czarnej dziury czas płynie sobie wolniej. Znacznie wolniej — dla obserwatora zewnętrznego upadek jakiegoś ciała na czarną dziurę będzie trwał nieskończenie długo. Natomiast nieszczęśnik, któremu przyjdzie spaść na czarną dziurę, będzie na czas patrzył z zupełnie innej perspektywy i przekona się, że spada mu się całkiem szparko i rychło zostanie przytrzaśnięty grawitacyjnym wiekiem per secula seculorum. Ot, paradoksy względności.
Wspomniany promień Schwarzschilda — nazwany na cześć faceta, co to rozwiązał grawitacyjne równania czarnej dziury — wyznacza sferę wokół osobliwości oddzielającą “nasz” świat od tego co “w środku” dziury. Powierzchnia tej sfery zwana jest horyzontem i taką właśnie funkcję pełni: spoza horyzontu niczego nie można dojrzeć. A jak już coś pod horyzont wleci, nigdy się stamtąd nie wydostanie. W tym sensie czarna dziura jest żarłoczna, gdyż pochłania wszystko, co w nią wpadnie. Dotyczy to jednak tylko ciał, które znajdą się w jej bezpośrednim pobliżu — z dużej odległości czarna dziura oddziałuje grawitacyjnie dokładnie tak samo jak każda inna gwiazda i nie przejawia bynajmniej jakichś krwiożerczych skłonności. Gdyby w miejscu naszego ukochanego Słońca umieścić czarną dziurę o tej samej masie, nic by się strasznego nie stało, może za wyjątkiem tego, że zrobiłoby się ciemno i zimno i ludzkość by wymarła. Ziemia jednak nadal krążyłaby beznamiętnie po swojej orbicie. Długość promienia Schwarzschilda zależy wyłącznie od masy zapadniętego ciała. Dla gwiazdy o masie dziesięciu Słońc wynosi on zaledwie 15 km. Gdyby nasze Słońce przemienić w czarną dziurę (co się w rzeczywistości nigdy nie stanie), to ów promień będzie miał 1.5 km. Promień Schwarzschilda Ziemi jest równy zaledwie 0.07 mm. Gdyby jakimś cudem całą naszą planetę upchnąć w tak mikroskopijnej kuleczce, to stała by się czarną dziurą.
To, co tutaj wypisuję, brzmi może i kuriozalnie, jednak czarne dziury nie są jeno czczym wymysłem jajogłowych teoretyków. Okazało się, że powinny one powstać jako efekt ewolucji niektórych, bardzo masywnych gwiazd. Uczeni policzyli sobie, że gdy wypali się do cna paliwo jądrowe będące źródłem światła gwiazdy, zniknie jednocześnie energetyczna przeciwwaga dla potwornego ciśnienia panującego w jej wnętrzu i niczym Atlas podtrzymującego na swych barkach całą masę gwiazdy. Wtenczas wszystko zawali się w jednej chwili, materia runie ku swemu centrum i zapadnie się katastroficznie, tworząc czarną dziurę. Zewnętrzne warstwy gwiazdy zostaną odrzucone w spektakularnym wybuchu supernowej. Takie kosmiczne kataklizmy obserwujemy od czasu do czasu, więc czemu miałyby nie istnieć czarne dziury?
By definitywnie potwierdzić istnienie obiektu przewidzianego przez teoretyków, trzeba by go zaobserwować. Ba, łatwiej powiedzieć niż zrobić. W końcu czarna dziura jest czarna, więc jak ją dostrzec? Sprawa wygląda ciężko, choć nie rozpaczliwie, na wszystko są bowiem sposoby. Skoro nasz corpus delicti jest niewidzialny, przyjrzyjmy się jego potencjalnemu otoczeniu. Wyobraźmy sobie układ podwójny, składający się ze “zwykłej”, świecącej gwiazdy i niewidocznej czarnej dziury. Oba ciała będą się obiegać nawzajem, co przy pewnej dozie pomysłowości można dostrzec z Ziemi. Jeżeli nasze obserwacje wykażą, że świecąca gwiazda kręci się wokół “niczego”, możemy już nabrać pewnych podejrzeń. Niestety, takie odkrycie nie stanowi jeszcze dowodu, gdyż całkiem podobnie może się prezentować tak zwana gwiazda neutronowa. Równie masywna jak jej “normalne” koleżanki, jest wyjątkowo mała i nie sposób jej dostrzec z dużej odległości. Gwiazda neutronowa jest jakby niedoszłą czarną dziurą, która miała zbyt małą masę by zapaść się zupełnie i uformowała małą gwiazdkę o gęstości jądra atomowego. Kryterium rozstrzygającym o tożsamości podejrzanej będzie tutaj masa. Teoretycy policzyli, że gdy masa zapadającej się gwiazdy przekracza trzykrotnie masę naszego Słońca, to musi ona dokonać żywota jako czarna dziura. A tak się szczęśliwie składa, że astronomowie potrafią oszacować masę gwiazd w układzie podwójnym.
Ale to nie wszystko. Gdy takie poszlaki okażą się zbyt mało przekonujące, możemy szukać następnych. Niechaj nasze gwiazdy obiegają się po bardzo ciasnych orbitach. Jak bardzo? Na tyle, aby grawitacja czarnej dziury potrafiła wyrwać przemocą ze swej towarzyszki strumień materii. Taka struga zacznie krążyć wokół czarnej dziury i uformuje dysk, w którym gaz po spirali zbliża się do centrum. Ponieważ pole grawitacyjne w pobliżu czarnej dziury jest wyjątkowo silne, prędkości gazu w tych okolicach będą bardzo duże, porównywalne z prędkością światła. Na skutek wzajemnego tarcia dysk rozgrzeje się do temperatury — bagatelka — miliona stopni i zacznie świecić. Jak wiemy z życia, każde rozgrzane ciało świeci. Kto miał bezpośredni kontakt z rozżarzonym węgielkiem, ten wie. Im ciało gorętsze, tym bardziej energetyczne promieniowanie emituje. Lekko rozżarzone żelazo, o temperaturze kilkuset stopni, jest czerwone. Rozgrzane bardziej staje się białe. Najgorętsze gwiazdy, o temperaturach dziesiątków tysięcy stopni, są niebieskie. Promienie niebieskie mają wyższą energię niż czerwone. Jeżeli coś rozgrzejemy do jeszcze wyższej temperatury, zacznie świecić w ultrafiolecie. Gaz o temperaturze miliona stopni emituje promieniowanie rentgenowskie. Światło widzialne tworzą fale elektromagnetyczne o długości około 5 ´ 10-5 cm. Promienie rentgenowskie mają długości mniejsze niż 10-7 cm, są więc 500 razy krótsze od fal widzialnych. Jednocześnie foton rentgenowski niesie 500 razy więcej energii niż foton optyczny. Obecność promieni X w kosmosie jest oznaką bardzo wysokiej temperatury, która może powstawać w pobliżu czarnych dziur.
I właśnie owe promienie X zaobserwowano na niebie. W roku 1965 odkryto w gwiazdozbiorze Łabędzia źródło rentgenowskie i oznaczono je symbolem Cygnus X-1. Najbardziej uradowała naukowców wiadomość, że ową kosmiczną lampą rentgenowską jest układ podwójny złożony ze “zwykłej” gwiazdy i niewidocznego obiektu o masie dziesięciokrotnie przekraczającej masę Słońca. Te dwie poszlaki — duża masa niewidzialnej gwiazdy i silne promieniowanie X — złożyły się na pierwszy przekonujący dowód istnienia czarnej dziury. Znajduje się ona w odległości około 9000 lat świetlnych od Ziemi, co w skali kosmicznej oznacza tyle, co kamieniem rzucić. Odkryto jeszcze kilka podobnych układów w naszej Galaktyce. Inną kategorią zaobserwowanych obiektów są ogromne czarne dziury, stanowiące jądra aktywnych galaktyk. Potrafią one zgromadzić w sobie masę milionów słońc. Podobnie jak w przypadku układów podwójnych, otoczone są gazowymi dyskami, emitującymi promienie rentgenowskie.
Choć nikt nie widział na własne oczy czarnej dziury, dzisiaj uczeni są głęboko przekonani, iż te niezwykłe obiekty jakby nie z naszego świata naprawdę istnieją. Fakt ten w żaden sposób nie wpłynie na skład parlamentu, pogłowie trzody chlewnej czy inne aspekty życia codziennego, miło jednak jest czasem sobie pomyśleć, że gdzieś tam w przestworzach nad naszymi głowami czai się groźna, tajemnicza i piękna czarna dziura.
Dlaczego czarne? Główną przyczyną jest fakt, że światło nie może uciec ze środka czarnej dziury: po prostu znika ono z widzialnego wszechświata. Czy czarne dziury rzeczywiście istnieją? Większość naukowców potwierdza to na podstawie coraz większej liczby danych obserwacyjnych. Również współczesne teorie dotyczące Wielkiego Wybuchu przewidują istnienie osobliwości i czarnych dziur. Sam Einstein żywo zaprzeczał ich obecności wierząc, jak większość ówczesnych fizyków, że czarna dziura jest zwykłym matematycznym dziwactwem. Zmarł w 1955 roku, zanim termin "czarna dziura" został wymyślony, zrozumiany, i zanim udowodniono, na podstawie przeprowadzonych obserwacji, jej istnienie.
Czarne dziury powstają w wyniku kolapsu grawitacyjnego (zapadania się) gwiazd lub innych masywnych obiektów, formując tzw. osobliwość - twór o nieskończonej gęstości. Gwiazda w ciągu swojego życia, w wyniku ciągle w niej zachodzących reakcji termojądrowych, generuje promieniowanie elektromagnetyczne, zawierające fotony (cząstki światła). Promieniowanie to wpływa na zewnętrzne ciśnienie, idealnie równoważąc wewnętrzny wpływ siły grawitacyjnej, wytwarzanej przez gwiazdę. Kiedy paliwo jądrowe zostaje wyczerpane, zmniejsza się ilość promieniowania wysyłanego przez gwiazdę, co powoduje przewagę grawitacji a tym samym powolne zapadanie się gwiazdy. W wyniku kontrakcji jądra obiektu, wzrasta wewnętrzna temperatura a pozostałe resztki materiału nuklearnego zostają użyte jako paliwo. Gwiazda chwilowo przestaje się zapadać.
W przypadku kiedy cały zapas paliwa zostanie wyczerpany, kolaps jest nieunikniony. Jak daleko będzie się on posuwał, w co przekształci się zapadający się obiekt, zależy głównie od masy gwiazdy. Jeżeli jest wystarczająco masywna lub ściśliwa, może się przekształcić w czarną dziurę. Jeżeli jednak jej masa jest niewielka bądź materiał, z którego powstała - gęsty, wówczas taka gwiazda staje się białym karłem lub gwiazdą neutronową.
Zgodnie z definicją, czarna dziura jest obszarem, gdzie zapadnięta materia ma nieskończoną gęstość i w związku z tym zakrzywienie czasoprzestrzeni jest maksymalne. Co więcej intensywne pole grawitacyjne, wytwarzane przez takie obiekty, uniemożliwia cząstkom światła i innym formom promieniowania elektromagnetycznego ucieczkę na zewnątrz. Jednak pojawia się pytanie, gdzie dokładnie znajduje się ów graniczny punkt, po przekroczeniu którego materia i energia giną z widzialnego wszechświata.
Stosując się do równań pola Einsteina dotyczących zapadających się gwiazd, niemiecki astrofizyk, Karl Schwarzschild, wyprowadził krytyczny promień zadanej masy, dla którego materia zapada się w tzw. osobliwość. Dla czarnej dziury o masie równej 10 Słońcom, taki promień wynosi około 30 kilometrów, natomiast obwód - 189 kilometrów.
Najprościej można sobie wyobrazić czarną dziurę (czarna dziura Schwarzschilda) jako sferę. Centralnym punktem takiego obiektu jest osobliwość, zaś cała powierzchnia znana jest jako tzw. horyzont zdarzeń. Nic nie może wydostać się poza niego, stąd nie jesteśmy w stanie ocenić wyglądu wnętrza czarnej dziury.
Horyzont zdarzeń "pojawia się" w momencie kiedy gwiazda osiąga krytyczny obwód. Dlaczego "pojawia się"? Ponieważ promienie świetlne złapane w pułapkę są izolowane od tych, którym udało się umknąć przed wpływem silnego pola grawitacyjnego. Jednak część uciekających promieni mimo wszystko zostanie przechwyconych przez czarną dziurę - tak się dzieje, gdy w tym czasie część materii lub energii do niej "wpadnie", zwiększając tym samym jej siłę grawitacyjną. Stąd horyzont zdarzeń wytyczony jest przez te "krytyczne" promienie świetlne, które nigdy nie wydostaną się poza powierzchnię czarnej dziury.
Jak już zostało wcześniej wspomniane, w centrum czarnej dziury znajduje się osobliwość, w której materia zostaje zmiażdżona, osiągając nieskończona gęstość, przyspieszenie siły ciężkości jest niewyobrażalnie duże a czasoprzestrzeń zakrzywia się maksymalnie. W tym momencie nie możemy już mówić o czasie i przestrzeni, tym bardziej czasoprzestrzeni. Zapętlona w osobliwości nie posiada już takich własności jakie znamy. Wszelkie znane prawa fizyczne przestają obowiązywać, nawet te przewidziane przez Einsteina, zgodne z ogólną teorią względności. Wchodzimy w obszar kwantowej grawitacji, tzn. taką dziwaczną rzeczywistość, w której przestrzeń i czas są rozdzielone, przyczyna i skutek - nieokreślone. Nawet teraz naukowcy nie są w stanie podać satysfakcjonującej teorii, dotyczącej zdarzeń, mających miejsce w głębi czarnej dziury.
Nie dziwi nas fakt, że w ciągu swojego życia, Einstein odrzucał możliwość istnienia osobliwości. Implikacje mogące z tego faktu wyniknąć były tak wstrząsające, że nawet w końcu lat 60-tych fizycy ciągle przypuszczali, że natura wszechświata odrzuca istnienie takich obiektów jak "nagie osobliwości". Gdyby tak było, owe twory odmieniłyby cały wszechświat w sposób niemożliwy do przewidzenia. W związku z tym istniejące w kosmosie osobliwości muszą być "otulone" wewnątrz czarnych dziur (jest to tzw. kosmiczna cenzura).
Nie możemy zaglądać do wnętrza czarnych dziur. Osobliwością rządzi przypadkowość. Zatem co tak naprawdę wiemy o nich? W jaki sposób poznać ich sekrety? Odpowiedzią (przynajmniej częściową) jest zrozumienie początkowego etapu ewolucji tych obiektów. Istnieją dwa możliwe, częściowe rozwiązania równań Einsteina, dotyczące czarnych dziur:
Istniej� dwa mo�liwe, cz��ciowe rozwi�zania r�wna� Einsteina, dotycz�ce czarnych dziur:
* nie obracająca się, sferycznie symetryczna czarna dziura, postulowana przez Schwarzschilda (zobacz rozwiązanie analityczne)
* obracająca się, sferyczna czarna dziura przewidziana w 1964 roku przez nowozelandzkiego matematyka, Roya Kerra (zobacz rozwiązanie analityczne)
Oba typy czarnych dziur są "stacjonarne" czyli niezmienne w czasie, przynajmniej do czasu dopóki ich spokój nie zostanie w jakiś sposób zakłócony. Wobec tego są jednymi z najprostszych do opisania obiektów znanych w ogólnej teorii względności. Wystarczy podać dwie zmienne określające masę i moment pędu. Teoretycznie czarne dziury mogą posiadać również pewien ładunek elektryczny, jednak szybko przyciągnie on taki sam o przeciwnym znaku. W związku z tym w każdej "rzeczywistej" czy astrofizycznej czarnej dziurze ostateczny ładunek będzie dążył do zerowej wartości. Ten fakt dowodzi prostoty tych obiektów - oprócz dwóch wyżej wymienionych charakterystycznych wielkości (masa i moment pędu) nie posiada innych. Jak się jednak okazuje, nie wszystko jest takie proste.
Czarne dziury formują się w wyniku różnorakich skomplikowanych procesów. Kiedy czarna dziura powstaje przez zapadnięcie się bardzo masywnej gwiazdy, lub kiedy jej obecność narusza inna czarna dziura, wkręcająca się w nią, skutkiem są zakłócenia czasoprzestrzenne, prowadzące do generowania fal grawitacyjnych.
Cyfrowe rozwiązania równań Einsteina, dokonane przy pomocy komputerów o ogromnej mocy, pozwoliły naukowcom zasymulować emisję fal grawitacyjnych, wytwarzanych przez zaburzone lub wzajemnie na siebie odziaływujące czarne dziury. Wizualizacja takiej symulacji pozwala dostrzec nie tylko intrygujące ale też piękne wzory fal.
Emitując fale grawitacyjne, niestacjonarna czarna dziura traci energię, ewentualnie może stać się nieruchomym obiektem obniżającym swoją energię przez promieniowanie. Mówiąc inaczej, zmierzająca ku swemu końcowi, nieruchoma czarna dziura, jest idealnie sferyczna a jej rotacja - jednostajna, Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina, takie obiekty nie mogą generować fal grawitacyjnych.
Pomimo iż nie jesteśmy w stanie zobaczyć czarnej dziury (skoro nawet światło nie umknie spod wpływu jej pola grawitacyjnego), możemy jednak zaobserwować wpływ na pobliską materię. Dla przykładu, gaz pochodzący z niedalekiej gwiazdy zostaje wessany do czarnej dziury, silna energia grawitacyjna podgrzeje ów gaz do miliona stopni. Powstające w wyniku tego promienie X wskazują na istnienie czarnej dziury.
Albo jeżeli masywna czarna dziura otoczona jest olbrzymią liczbą obiektów obracających się (nawet gaz lub pył), wówczas szybki ich ruch skierowany do wnętrza tej czarnej dziury może być obserwowalny dzięki zmianom w emisji energii.
Jednak są to dowody pośrednie i nieprzekonywujące. Potwierdzeniem faktycznego istnienia czarnych dziur jest obserwacja fal grawitacyjnych, które są wytwarzane w czasie formowania się lub interakcji z innymi obiektami.
2
Czarne dziury stanowią jedne z najbardziej osobliwych tworów ludzkiej myśli. Gdy tylko idea tak niezwykłego ciała niebieskiego opuściła zacisze naukowych gabinetów i przedostała się do świadomości przeciętnego zjadacza chleba, wzbudziła nie lada sensację i pewne zaniepokojenie. Nagle dowiedzieliśmy się, że gdzieś tam w kosmosie istnieją być może nienasycone żarłoki, gotowe połknąć wszystko co stanie na ich drodze, a już w szczególności naszą starą Ziemię, wraz z wszystkimi czytelnikami prasy sensacyjnej. Wszak co wpadnie w czarną dziurę, nie może się już z niej wydostać, nieprawdaż?
A prawdaż, choć nasuwa mi się nieodparcie anegdota o wygranym samochodzie i skradzionym rowerze. Czarna dziura faktycznie jest niezwykła. Istnienie “czarnej gwiazdy” przewidział jeszcze w XVIII wieku Anglik John Michell. Jego rozumowanie było niezwykle proste: dla każdego ciała niebieskiego — planety czy gwiazdy — można obliczyć tak zwaną prędkość ucieczki. Jest to prędkość jaką należy nadać na przykład rakiecie, startującej z powierzchni, by opuściła strefę przyciągania grawitacyjnego planety i odleciała w siną dal. Jeżeli rakieta będzie miała chyżość mniejszą od prędkości ucieczki, nigdy nie oddali się od planety. Im większą masę i mniejszy promień ma planeta (albo gwiazda), tym większa jest prędkość ucieczki. Dla Ziemi wynosi ona około 11 km/s, dla dużo większego Słońca już 620 km/s. Można sobie wyobrazić tak masywną gwiazdę, że prędkość ucieczki przekroczy prędkość światła, a wtedy nawet fotony nie zdołają się wydostać z grawitacyjnej pułapki i niczego nie zobaczymy. Gwiazda będzie “czarna”.
Rozumowanie powyższe, choć zupełnie poprawne, ledwie ociera się o prawdziwą naturę czarnych dziur. Do zrozumienia zdumiewającej istoty problemu potrzeba było wielkiej rewolucji w fizyce, która dokonała się na początku XX wieku, za sprawą niejakiego Alberta Einsteina. Ogłosił on w roku 1915 równania swojej teorii grawitacji, znanej szerzej pod nazwą Ogólnej Teorii Względności. Efektem jego pracy była gruntowna rewizja dotychczasowych poglądów na temat struktury czasu i przestrzeni. Jednym z rozwiązań równań Einsteina jest zwariowany obiekt, którego cała masa skupiona jest w jednym punkcie, zwanym osobliwością, a geometria czasoprzestrzeni zabrania ucieczki czemukolwiek, co znajdzie się w odległości mniejszej niż tak zwany promień Schwarzschilda. W osobliwości gęstość materii jest nieskończona, co wydaje się sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem. Tak się jednak składa, że we współczesnej fizyce mało co brzmi rozsądnie i nikogo to już dziś nie wzrusza. Żeby było ciekawiej, w pobliżu czarnej dziury czas płynie sobie wolniej. Znacznie wolniej — dla obserwatora zewnętrznego upadek jakiegoś ciała na czarną dziurę będzie trwał nieskończenie długo. Natomiast nieszczęśnik, któremu przyjdzie spaść na czarną dziurę, będzie na czas patrzył z zupełnie innej perspektywy i przekona się, że spada mu się całkiem szparko i rychło zostanie przytrzaśnięty grawitacyjnym wiekiem per secula seculorum. Ot, paradoksy względności.
Wspomniany promień Schwarzschilda — nazwany na cześć faceta, co to rozwiązał grawitacyjne równania czarnej dziury — wyznacza sferę wokół osobliwości oddzielającą “nasz” świat od tego co “w środku” dziury. Powierzchnia tej sfery zwana jest horyzontem i taką właśnie funkcję pełni: spoza horyzontu niczego nie można dojrzeć. A jak już coś pod horyzont wleci, nigdy się stamtąd nie wydostanie. W tym sensie czarna dziura jest żarłoczna, gdyż pochłania wszystko, co w nią wpadnie. Dotyczy to jednak tylko ciał, które znajdą się w jej bezpośrednim pobliżu — z dużej odległości czarna dziura oddziałuje grawitacyjnie dokładnie tak samo jak każda inna gwiazda i nie przejawia bynajmniej jakichś krwiożerczych skłonności. Gdyby w miejscu naszego ukochanego Słońca umieścić czarną dziurę o tej samej masie, nic by się strasznego nie stało, może za wyjątkiem tego, że zrobiłoby się ciemno i zimno i ludzkość by wymarła. Ziemia jednak nadal krążyłaby beznamiętnie po swojej orbicie. Długość promienia Schwarzschilda zależy wyłącznie od masy zapadniętego ciała. Dla gwiazdy o masie dziesięciu Słońc wynosi on zaledwie 15 km. Gdyby nasze Słońce przemienić w czarną dziurę (co się w rzeczywistości nigdy nie stanie), to ów promień będzie miał 1.5 km. Promień Schwarzschilda Ziemi jest równy zaledwie 0.07 mm. Gdyby jakimś cudem całą naszą planetę upchnąć w tak mikroskopijnej kuleczce, to stała by się czarną dziurą.
To, co tutaj wypisuję, brzmi może i kuriozalnie, jednak czarne dziury nie są jeno czczym wymysłem jajogłowych teoretyków. Okazało się, że powinny one powstać jako efekt ewolucji niektórych, bardzo masywnych gwiazd. Uczeni policzyli sobie, że gdy wypali się do cna paliwo jądrowe będące źródłem światła gwiazdy, zniknie jednocześnie energetyczna przeciwwaga dla potwornego ciśnienia panującego w jej wnętrzu i niczym Atlas podtrzymującego na swych barkach całą masę gwiazdy. Wtenczas wszystko zawali się w jednej chwili, materia runie ku swemu centrum i zapadnie się katastroficznie, tworząc czarną dziurę. Zewnętrzne warstwy gwiazdy zostaną odrzucone w spektakularnym wybuchu supernowej. Takie kosmiczne kataklizmy obserwujemy od czasu do czasu, więc czemu miałyby nie istnieć czarne dziury?
By definitywnie potwierdzić istnienie obiektu przewidzianego przez teoretyków, trzeba by go zaobserwować. Ba, łatwiej powiedzieć niż zrobić. W końcu czarna dziura jest czarna, więc jak ją dostrzec? Sprawa wygląda ciężko, choć nie rozpaczliwie, na wszystko są bowiem sposoby. Skoro nasz corpus delicti jest niewidzialny, przyjrzyjmy się jego potencjalnemu otoczeniu. Wyobraźmy sobie układ podwójny, składający się ze “zwykłej”, świecącej gwiazdy i niewidocznej czarnej dziury. Oba ciała będą się obiegać nawzajem, co przy pewnej dozie pomysłowości można dostrzec z Ziemi. Jeżeli nasze obserwacje wykażą, że świecąca gwiazda kręci się wokół “niczego”, możemy już nabrać pewnych podejrzeń. Niestety, takie odkrycie nie stanowi jeszcze dowodu, gdyż całkiem podobnie może się prezentować tak zwana gwiazda neutronowa. Równie masywna jak jej “normalne” koleżanki, jest wyjątkowo mała i nie sposób jej dostrzec z dużej odległości. Gwiazda neutronowa jest jakby niedoszłą czarną dziurą, która miała zbyt małą masę by zapaść się zupełnie i uformowała małą gwiazdkę o gęstości jądra atomowego. Kryterium rozstrzygającym o tożsamości podejrzanej będzie tutaj masa. Teoretycy policzyli, że gdy masa zapadającej się gwiazdy przekracza trzykrotnie masę naszego Słońca, to musi ona dokonać żywota jako czarna dziura. A tak się szczęśliwie składa, że astronomowie potrafią oszacować masę gwiazd w układzie podwójnym.
Ale to nie wszystko. Gdy takie poszlaki okażą się zbyt mało przekonujące, możemy szukać następnych. Niechaj nasze gwiazdy obiegają się po bardzo ciasnych orbitach. Jak bardzo? Na tyle, aby grawitacja czarnej dziury potrafiła wyrwać przemocą ze swej towarzyszki strumień materii. Taka struga zacznie krążyć wokół czarnej dziury i uformuje dysk, w którym gaz po spirali zbliża się do centrum. Ponieważ pole grawitacyjne w pobliżu czarnej dziury jest wyjątkowo silne, prędkości gazu w tych okolicach będą bardzo duże, porównywalne z prędkością światła. Na skutek wzajemnego tarcia dysk rozgrzeje się do temperatury — bagatelka — miliona stopni i zacznie świecić. Jak wiemy z życia, każde rozgrzane ciało świeci. Kto miał bezpośredni kontakt z rozżarzonym węgielkiem, ten wie. Im ciało gorętsze, tym bardziej energetyczne promieniowanie emituje. Lekko rozżarzone żelazo, o temperaturze kilkuset stopni, jest czerwone. Rozgrzane bardziej staje się białe. Najgorętsze gwiazdy, o temperaturach dziesiątków tysięcy stopni, są niebieskie. Promienie niebieskie mają wyższą energię niż czerwone. Jeżeli coś rozgrzejemy do jeszcze wyższej temperatury, zacznie świecić w ultrafiolecie. Gaz o temperaturze miliona stopni emituje promieniowanie rentgenowskie. Światło widzialne tworzą fale elektromagnetyczne o długości około 5 ´ 10-5 cm. Promienie rentgenowskie mają długości mniejsze niż 10-7 cm, są więc 500 razy krótsze od fal widzialnych. Jednocześnie foton rentgenowski niesie 500 razy więcej energii niż foton optyczny. Obecność promieni X w kosmosie jest oznaką bardzo wysokiej temperatury, która może powstawać w pobliżu czarnych dziur.
I właśnie owe promienie X zaobserwowano na niebie. W roku 1965 odkryto w gwiazdozbiorze Łabędzia źródło rentgenowskie i oznaczono je symbolem Cygnus X-1. Najbardziej uradowała naukowców wiadomość, że ową kosmiczną lampą rentgenowską jest układ podwójny złożony ze “zwykłej” gwiazdy i niewidocznego obiektu o masie dziesięciokrotnie przekraczającej masę Słońca. Te dwie poszlaki — duża masa niewidzialnej gwiazdy i silne promieniowanie X — złożyły się na pierwszy przekonujący dowód istnienia czarnej dziury. Znajduje się ona w odległości około 9000 lat świetlnych od Ziemi, co w skali kosmicznej oznacza tyle, co kamieniem rzucić. Odkryto jeszcze kilka podobnych układów w naszej Galaktyce. Inną kategorią zaobserwowanych obiektów są ogromne czarne dziury, stanowiące jądra aktywnych galaktyk. Potrafią one zgromadzić w sobie masę milionów słońc. Podobnie jak w przypadku układów podwójnych, otoczone są gazowymi dyskami, emitującymi promienie rentgenowskie.
Choć nikt nie widział na własne oczy czarnej dziury, dzisiaj uczeni są głęboko przekonani, iż te niezwykłe obiekty jakby nie z naszego świata naprawdę istnieją. Fakt ten w żaden sposób nie wpłynie na skład parlamentu, pogłowie trzody chlewnej czy inne aspekty życia codziennego, miło jednak jest czasem sobie pomyśleć, że gdzieś tam w przestworzach nad naszymi głowami czai się groźna, tajemnicza i piękna czarna dziura.
