Co wpada do czarnej dziury, zostaje w czarnej dziurze. Nobel trafił do odkrywców najdziwniejszych obiektów kosmicznych

W pierwszym odruchu kojarzą się nam z filmami science fiction. Wszak to właśnie przez nie niczym przez tunele czasoprzestrzenne kosmiczni podróżnicy przedostają się w inne miejsca we wszechświecie. – Ich istnienie udowodniono przy pomocy długopisu, kartki i kosza na śmieci – opowiada fizyk dr Andrzej Dragan.

Mało kto jednak zdaje sobie sprawę z tego, że czarne dziury są częścią naszej rzeczywistości, tak samo jak galaktyki, gwiazdy, planety czy księżyce. Co więcej, niektórzy badacze twierdzą, że są to jedne z prostszych obiektów do opisania, bowiem zasadniczo możemy poznać jedynie ich rozmiar, masę i ewentualnie tempo rotacji wokół własnej osi. I to wszystko. Co tak naprawdę znajduje się we wnętrzu czarnej dziury? Nie wiadomo. Co więcej, nigdy nie będzie wiadomo, bowiem wszystko co wpadnie do czarnej dziury, nigdy z niej się już nie wydostanie. Nawet światło, które będzie próbowało z niej uciec z prędkością światła.

Radek Kosarzycki

08.10.2020 08.10

Andrzej Dragan o Noblu za czarne dziury: Ich istnienie udowodniono przy pomocy długopisu, kartki i kosza na śmieci

dyskusja

Za horyzontem zdarzeń

Wyobraźmy sobie, że stoimy na powierzchni Ziemi i próbujemy z całej siły wyrzucić z Ziemi kamień. Nie tylko chcemy podrzucić go wysoko, ale chcemy rzucić tak silnie, aby wyrwał się z pola grawitacyjnego Ziemi i uciekł w przestrzeń międzyplanetarną. Raczej nam się nie uda. W przypadku Ziemi musielibyśmy nadać kamieniowi prędkość ponad 11 km/s. Nikt nie ma takich zdolności, dlatego wszystkie wyrzucone przez nas kamienie ostatecznie zawracają i lądują z powrotem na Ziemi.

Dużo łatwiej, choć wciąż za trudno, byłoby na powierzchni Księżyca, który charakteryzuje się znacznie mniejszą masą niż Ziemia, a tym samym słabszym polem grawitacyjnym. Inaczej sprawa miałaby się gdybyśmy stali na powierzchni niewielkiej planetoidy. Jej masa mogłaby być na tyle niska, że pole grawitacyjne byłoby na tyle słabe, że faktycznie przy dobrym zamachu moglibyśmy wysłać kamień w przestrzeń międzygwiezdną.

Ten przydługi wstęp jest niezbędny do zrozumienia czarnych dziur. Jeżeli jakikolwiek obiekt, a nawet foton, cząstka światła, za bardzo zbliży się do czarnej dziury, przekroczy tzw. horyzont zdarzeń, to aby uciec z jego wnętrza… będzie musiał osiągnąć prędkość większą od prędkości światła. Jak wiemy z lekcji fizyki, nic we wszechświecie nie ma prędkości większej od prędkości światła. Cokolwiek zatem będzie próbowało wyrwać się z czarnej dziury, ostatecznie do niej wróci. Stąd i czarna dziura jest czarna. To co do niej wpada, na zawsze w niej zostaje.

Fizyczna osobliwość

W 1916 r. Albert Einstein opublikował swoją ogólną teorię względności. To niezwykle skomplikowana teoria opisująca grawitację i jej wpływ na geometrię wszechświata. Sam Einstein jednak nie spodziewał się, że ktokolwiek będzie w stanie kiedykolwiek rozwiązać stworzone przez niego równania opisujące geometrię wszechświata.

Jeszcze w 1916 r. swoje rozwiązania tychże równań przysłał Einsteinowi niemiecki fizyk Karl Schwarzschild, który już po rozpoczęciu I wojny światowej prowadził swoje badania z linii frontu. Postępująca pęcherzyca, choroba skóry, której nabawił się podczas służby, ostatecznie doprowadziła do jego śmierci w maju 1916 r. Zanim zmarł, zdołał jednak przesłać swoje rozwiązania równań Einsteinowi. Jednym z nich było istnienie osobliwości. Osobliwość była obszarem, w którym prawa fizyki się nie sprawdzają, a i nie można otrzymać rozwiązania równań teorii względności.

Rozmiary tego obszaru wokół osobliwości bezpośrednio zależą od masy znajdującej się w jego wnętrzu. Dla obiektu o masie Słońca (Słońce ma średnicę 1 300 000 km) obszar ten ma promień 3 km. Jest to tak zwany promień Schwarzschilda. Gdyby zatem całą masę Słońca ścisnąć w kulę o średnicy 6 km, powstałaby swego rodzaju dziura, czarny obiekt, z którego nawet światło nie byłoby w stanie się wydostać. W ten sposób, czysto teoretycznie, z idealnej kulistej masy mogłaby powstać czarna dziura. Badacze jednak zgodnie twierdzili, że jest to rozwiązanie czysto teoretyczne, bowiem nie da się ścisnąć materii tak bardzo, aby zmieściła się wewnątrz promienia Schwarzschilda.

Matematyka prowadzi do czarnej dziury

Musiało minąć niemal pół wieku, by zagadnieniem czarnych dziur zainteresował się Roger Penrose, młody brytyjski matematyk. Nie miał jeszcze wtedy tytułu szlacheckiego, a i przedmiot jego badań też jeszcze nie był nawet dobrze nazwany. Sam termin „czarna dziura” wprowadził dopiero w 1967 roku amerykański fizyk John Wheeler. I to z ogromnymi problemami, bo... cóż, w tamtych czasach kojarzył się on częściej z wulgarnym określeniem części ciała niż z terminem astrofizycznym.

Penrose po latach w jednym z wywiadów opowiadał, że tak naprawdę w szkole miał spore problemy z matematyką. – Byłem zawsze w tym wolny. Owszem, byłem dobry z matmy, ale niekoniecznie radziłem sobie z testami. Dopiero kiedy nauczyciel zauważył, że potrzebuję po prostu więcej czasu, zacząłem poprawiać wyniki. Po prostu musiałem wszystko wyliczać od samych podstaw – mówił.

Taka skrupulatność okazała się być niezbędna do prac nad osobliwością. W toku prac udało mu się ustalić, że aby doszło do powstania czarnej dziury, warunki nie muszą być aż takie wyśrubowane, jak myślano od czasów Schwarzschilda. Dzięki zastosowaniu opracowanych przez siebie skomplikowanych metod matematycznych Penrose dowiódł, że jeżeli mamy masę o wystarczającej gęstości, to niezależnie, czy jest ona idealnie sferyczna, czy nie, z czasem zamieni się ona w czarną dziurę. Opracowane przez niego rozwiązania pozwoliły mu opisać, w jaki sposób powstają czarne dziury, jak się następnie zachowują i ewoluują.

Wciąż jednak nikt na poważnie nie przypuszczał, że takie obiekty da się kiedykolwiek zaobserwować. Wszak mowa o obiektach, które pochłaniają wszelkie promieniowanie i żadnego nie emitują. Ciężko jest znaleźć obiekt całkowicie czarny na tle czerni otchłani wszechświata.

Od teorii do badania

Na początku lat 90. dwa niezależne zespoły astronomów zaczęły pracę na największych teleskopach optycznych na Ziemi. Celem ich badań jest obszar Sagittarius A znajdujący się w samym centrum Drogi Mlecznej. Nie jest jednak łatwo zajrzeć do jego środka. Oddalony od nas o 27 000 lat świetlnych obszar upakowany jest gęsto gwiazdami, które dodatkowo zanurzone są w gęstym obłoku gazu i pyłu międzygwiezdnego. Ciężko tam cokolwiek dostrzec. Badacze projektują specjalne instrumenty, które pozwalają im ostatecznie zajrzeć do środka.

Wysiłek się opłacił, bowiem we wnętrzu tego obszaru dostrzegli gwiazdy, które swoim zachowaniem nie przypominały żadnego innego miejsca w naszej galaktyce. Najbardziej wewnętrzna grupa kilkunastu gwiazd porusza się z ogromnymi prędkościami wokół jakiegoś niewielkiego obiektu, którego tożsamości nie sposób ustalić. Aby uzyskać informacje chociażby o masie tego tajemniczego obiektu, badacze szczegółowo analizują trajektorię lotu gwiazd w jego polu grawitacyjnym.

16 lat obserwacji pozwoliło ostatecznie badaczom potwierdzić, że gwiazdy znajdujące się w obszarze Sagittarius A krążą wokół ogromnej supermasywnej czarnej dziury. Sama czarna dziura ma rozmiary porównywalne z rozmiarami naszego Układu Słonecznego. Tyle że nasz Układ Słoneczny ma masę niewiele większą od masy Słońca, czarna dziura ma masę ponad cztery miliony razy większą. To właśnie jej ogromna grawitacja odpowiada za ten swoisty taniec otaczających ją gwiazd, widoczny na animacji poniżej.

To właśnie za odkrycie tego obiektu, nazwanego od tego czasu Sagittarius A* (w skrócie Sgr A* od łacińskiej nazwy gwiazdozbioru Strzelca, który leży w centrum Drogi Mlecznej), Genzel i Ghan otrzymali drugą część przyznanej w tym roku nagrody Nobla z fizyki. Od czasu ogłoszenia odkrycia supermasywnej czarnej dziury, na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat, astronomowie zauważyli, że każda masywna galaktyka posiada co najmniej jedną supermasywną czarną dziurę w swoim centrum.

Wszechświat być może stał się podziurawiony, ale zdecydowanie bardziej fascynujący.

– W teorii jesteśmy w stanie postawić długopis na stole w taki sposób, by stał na czubku. W praktyce to mało prawdopodobne. A nawet jeśli nam się to uda, to wystarczy byle podmuch wiatru i długopis się przewróci – tak dr fizyki i jej popularyzator Andrzej Dragan tłumaczy proces od opracowania teoretycznej koncepcji czarnych dziur po udowodnienie ich istnienia. Rozmawiamy z nim o tym, jak nad tym jednym z budzących największe emocje zjawisk fizycznych pracowało kilka pokoleń naukowców.

Roger Penrose, Reinhard Genzel oraz Andrea Ghez uhonorowani Nagrodą Nobla w fizyce. Wszyscy za badania nad czarnymi dziurami. To kolejny rok z rzędu, w którym Nagroda Nobla kierowana jest do naukowców zajmujących się badaniem obiektów kosmicznych.

Dr Andrzej Dragan*: To wydarzenie szczególne dla całego świata fizyki. Roger Penrose jest osobą uznaną w tym całym tym środowisku. Nie tylko w swojej i tak bardzo szerokiej specjalności.

Faktycznie. Astronomia to nie tylko teoria, ale także obserwacje. Genzel oraz Ghez otrzymali Nagrodę Nobla za obserwacyjne potwierdzenie istnienia supermasywnej czarnej dziury w samym centrum naszej galaktyki, Drogi Mlecznej. Zebranie niezbędnego materiału zajęło im niemal dwie dekady, ale w końcu udało się ostatecznie potwierdzić, co znajduje się w obszarze zwanym Sagittarius A*. Trudniej jednak wyjaśnić postronnej osobie, za co tak naprawdę nagrodę otrzymał Roger Penrose.

Duża część jego pracy orbitowała wokół teorii czarnych dziur. Penrose przez bardzo wiele lat stał na czele badań nad czarnymi dziurami. Dzięki jego pracy udało się udowodnić bardzo wiele twierdzeń matematycznych opisujących ich przedziwne właściwości. To dopiero od czasów Penrose’a wiadomo, że czarne dziury nie są tylko artefaktami teorii, że są to obiekty, które jak najbardziej są realnie mogą istnieć. Między innymi za to ta nagroda została przyznana. Za podanie szeregu namacalnych własności czarnych dziur.

Penrose opierał się na Ogólnej Teorii Względności opracowanej przez Alberta Einsteina, ale sam Einstein był sceptyczny co do rzeczywistości czarnych dziur. Niby istnienie ich wynikało z założeń teoretycznych, ale twórca teorii podejrzewał, że one tak naprawdę nigdy nie powstają.

Do Einsteina po opublikowaniu teorii względności napisał Karl Schwarzschild, który jako pierwszy wskazał na możliwość istnienia czarnych dziur. Einstein początkowo ten list zbagatelizował, uznał, że jest to raczej ciekawostka, nic wiarygodnego. Podejrzewał, że z jakichś powodów, których jeszcze do końca nie rozumiał, takie twory nie mogły istnieć, mimo że wynikają z jego teorii.

To gdzie w takim razie nastąpił przełom? Czego Einstein nie wiedział, a Penrose dowiódł?

W teorii jesteśmy w stanie postawić długopis na stole w taki sposób, by stał na czubku. Tego typu chwiejna równowaga jest możliwa w teorii, choć w praktyce trudno ją zrealizować. A nawet jeśli nam się to uda, to wystarczy byle podmuch wiatru i długopis się przewróci. Einstein podejrzewał, że z istnieniem czarnych dziur może wiązać się podobna trudność. Penrose pokazał zaś, że czarne dziury mogą istnieć w realnym świecie w sposób stabilny. Udowodnił też szereg zaskakujących właściwości czarnych dziur, m.in. to, że można je w pełni scharakteryzować, podając tylko kilka liczb. Są to więc obiekty zadziwiająco proste.

Czy tutaj tym położeniem równowagi stałej była sferyczność czarnych dziur? Przed Penrosem wszyscy badacze zakładali, że czarna dziura może powstać, ale tylko w hipotetycznej sytuacji, w której do powstania czarnej dziury prowadzi obiekt idealnie sferyczny. W przeciwnym razie nie ma szans na powstanie takiego obiektu.

Dokładnie tak. Natomiast Penrose oraz wielu innych badaczy zastanawiali się, co się dzieje w rzeczywistym świecie, czy czarne dziury mogą powstawać ze zwykłych gwiazd, z obiektów, które nie są idealnie sferyczne lub np. w wyniku zderzenia dwóch obiektów. Tutaj wchodzą już jednak bardzo skomplikowane aspekty Ogólnej Teorii Względności, która składa się z niezwykle trudnych równań do rozwiązania. Na szczęście Penrose oprócz tego, że jest fizykiem, jest wybitnym matematykiem, więc był w stanie dużą część tych problemów w bardzo oryginalny sposób pokonać.

W największym skrócie można powiedzieć, że w swojej pracy udowodnił szereg właściwości czarnych dziur, opowiedział nam, jak wyglądałyby takie czarne dziury, gdybyśmy mieli je w laboratorium. Zrobił to przy pomocy długopisu, kartki i kosza na śmieci. Nikt tych czarnych dziur wtedy na oczy nie widział, dopiero dwójka badaczy obserwująca ruch gwiazd w centrum Drogi Mlecznej była w stanie stwierdzić, że tam gdzieś w środku znajduje się czarna dziura. Udało im się wykazać, że gdzieś między tymi gwiazdami znajduje się coś bardzo, bardzo ciężkiego, coś co waży pięć milionów słońc, a do tego jest bardzo małe.

Na czym właściwie polegają te unikalne metody matematyczne Penrosa?

On jest twórcą wielu narzędzi matematycznych. Wiele osiągnął on też na polu takiej czystej matematyki, niekoniecznie związanej z badaniem wszechświata. Jest choćby twórcą teorii twistorów, która pozwalała opisać nowe rozwiązania teorii względności w zupełnie nowatorski sposób.

Wielokrotnie przy okazji rozdania nagród Nobla z fizyki pojawiało się pytanie o Stephena Hawkinga. W takiej dyskusji jednak zawsze pojawiał się argument mówiący, że istnienia czarnych dziur nie da się potwierdzić eksperymentalnie, a przez to nie można otrzymać Nagrody Nobla za czysto teoretyczne odkrycie czarnych dziur. Wtem nadchodzi rok 2020 i trzy osoby badające czarne dziury zostają uhonorowane nagrodą Nobla.

W nauce przede wszystkim niczego się nie udowadnia, a stuprocentowej pewności zasadniczo też nie ma nigdy. Obserwacje, które zostały nagrodzone w tym roku, są tak blisko dowodu naukowego, jak w zasadzie mogliśmy sobie życzyć. Nie jest to żaden dowód ostateczny, ale jest to coś, co bardzo blisko graniczy z pewnością. Faktem jest, że nagrody Nobla przyznaje się tylko za odkrycia potwierdzone doświadczalnie i sama teoria, która coś ciekawego przewiduje, nawet jeżeli jest to coś niezwykle wartościowego i oryginalnego, nie wystarczy, aby otrzymać nagrodę Nobla.

Stephen Hawking w swoich badaniach skupiał się na badaniu promieniowania czarnych dziur. Tego promieniowania nie udało się zaobserwować do dziś. Jest to zdecydowanie zbyt trudne do zaobserwowania i mamy do dyspozycji tylko symulacje tego promieniowania. To jednak nie to samo. Dlatego droga do nagrody Nobla w przypadku Stephena Hawkinga byłaby jeszcze bardzo daleka.

* Andrzej Dragan – polski fizyk teoretyk, doktor habilitowany fizyki, aktualnie adiunkt na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i profesor wizytujący na National University of Singapore. Autor książki popularnonaukowej „Kwantechizm, czyli klatka dla ludzi wydanej nakładem wydawnictwa Fabuła Fraza”. Jest także uznanym artystą fotografem, który w swojej kolekcji ma zrealizowane sesje fotograficzne z takimi osobami, jak Mads Mikkelsen, David Lynch czy Jan Peszek. Swoje zdjęcia publikował w 12 krajach świata.

Kopiuj link

Tagi: Czarna dziura Nagroda Nobla

Najnowsze

7:30

W świecie telefonów i tabletów rewolucja. Możesz nie doczekać Androida 15

Aktualizacja: tydzień temu