Cień czarnej dziury, czyli podróż poza granice wyobraźni

10 kwietnia 2019 roku to dzień, który przejdzie do historii. Tego dnia naukowcy pracujący przy projekcie Event Horizon Telescope (EHT) opublikowali pierwsze zdjęcie najbardziej tajemniczego i najbardziej ekstremalnego obiektu we wszechświecie – czarnej dziury. Prace nad projektem Event Horizon Telescope (EHT) (Teleskop Horyzontu Zdarzeń) rozpoczęły się w 2009 roku. Ponad 200 naukowców z całego świata, w tym dwoje Polaków – prof. Monika Mościbrodzka i dr Maciej Wielgus – pracowało nad skoordynowaniem ośmiu ogromnych radioteleskopów, znajdujących się w najbardziej odległych od siebie rejonach naszej planety, m. in. na Antarktydzie, Hawajach, w Chile, Meksyku i Stanach Zjednoczonych. Dzięki technice obserwacyjnej zwanej interferometrią wielkobazową, polegającą na jednoczesnej obserwacji jednego obiektu przez kilka obserwatoriów, naukowcy byli w stanie stworzyć wirtualny radioteleskop o rozmiarach Ziemi, co z kolei pozwoliło na uzyskanie obrazu o bezprecedensowej rozdzielczości. Gdyby ludzkie oko miało tak świetną rozdzielczość, moglibyśmy czytać ten artykuł z odległości, jaka dzieli Paryż od Nowego Jorku. Historyczne zdjęcie Gigantyczny radioteleskop skierowano na obiekt znajdujący się w odległości 55 milionów lat świetlnych od Ziemi. Aby uzmysłowić sobie skalę tej odległości, trzeba zdać sobie sprawę z faktu, że od naszej gwiazdy – Słońca dzieli nas zaledwie 8 minut świetlnych, co w przeliczeniu daje trudną do pojęcia odległość 300 mln kilometrów. Ale do rzeczy. 55 mln lat świetlnych od nas, w gwiazdozbiorze Panny znajduje się galaktyka M-87, a w jej centrum – najmasywniejsza czarna dziura, jaką udało nam się dotychczas zaobserwować. Jak masywna? Ważąca tyle, co 6,5 miliarda naszych Słońc! To w jej kierunku naukowcy z EHT wycelowali w kwietniu 2017 roku nasze ziemskie, sprzężone ze sobą radioteleskopy. Po zebraniu gigantycznej ilości danych, przez dwa lata trwała ich analiza. Efekt końcowy widoczny jest na zdjęciu opublikowanym na środku tej strony. Rozczarowujące? Tylko dla laików i ignorantów. W rzeczywistości to niezbyt ostre zdjęcie jest pierwszym w historii ludzkiej nauki obrazem czarnej dziury – obiektu tak tajemniczego i ekstremalnego, że jeszcze do niedawna jego istnienie negowało wielu astronomów i fizyków, a zrozumienie jego budowy i procesów zachodzących wewnątrz być może nigdy nie stanie się możliwe. Kosmiczne studnie Czym zatem jest czarna dziura? To obiekt tak gęsty i masywny, że jego grawitacja nie pozwala na wydostanie się z niego materii ani światłu. Czarne dziury to bezdenne kosmiczne studnie, które wchłaniają wszystko, co znajdzie się w obszarze ich przyciągania, nie wypuszczając na zewnątrz żadnych informacji. Czarnej dziury nie sposób zobaczyć. Generalnie, żeby cokolwiek dostrzec, choćby litery w czytanym właśnie wyrazie, do siatkówki oka, a stamtąd do mózgu dotrzeć musi obraz, czyli odbicie światła. Światło odbija się bez problemu od gazetowego papieru i nadrukowanych na nim liter. W efekcie – możemy zobaczyć czytany wyraz. Na tej samej zasadzie zaobserwować możemy własne odbicie w lustrze, drzewo za oknem, chmury na niebie, a sięgając po odpowiednie instrumenty optyczne – planety, gwiazdy i odległe galaktyki. Czarnych dziur, choć to obiekty bardzo masywne, dostrzec nie sposób – właśnie dlatego, że są tak bardzo masywne. Im większa masa, tym większa siła grawitacji – to dlatego Ziemia krąży wokół Słońca, a nie odwrotnie. Jeśli grawitacja stanie się wystarczająco silna (do czego potrzebujemy dużej masy), może zakrzywić nie tylko światło, ale również czas i przestrzeń (lub po prostu czasoprzestrzeń), a grawitacja ekstremalnie silna – taka jak w czarnych dziurach – potrafi uwięzić wewnątrz obiektu materię i światło oraz sprawić, że znane nam procesy fizyczne przestają obowiązywać. Stabilny gigant Naukowcy nie są pewni ani zgodni co do sposobów powstawania czarnych dziur, ale najbardziej prawdopodobne hipotezy związane są z ewolucją najbardziej masywnych gwiazd i kosmicznych obłoków gazowych. Wyobraźmy sobie gwiazdę o masie 100 razy większej niż nasze Słońce. Po wypaleniu się wodoru w jej wnętrzu, słabnące reakcje termojądrowe nie są w stanie dłużej równoważyć naporu zewnętrznych warstw gwiazdy, która niczym balon, z którego nagle spuszczono powietrze, zaczyna zapadać się pod własnym ciężarem. Większość zapadających się w sobie gwiazd eksploduje jako tzw. supernowe, czyli siejące spustoszenie kosmiczne fajerwerki, ale część zapada się dalej – aż do osiągnięcia gęstości tak wielkiej, że panująca wewnątrz grawitacja przestaje umożliwiać ucieczkę materii i światła, a kurcząca się gwiazda przestaje być widoczna.Staje się czarną dziurą. W ten sposób powstają mniejsze (choć to dalece nieadekwatne określenie) czarne dziury, o masie od kilku to kilkuset mas Słońca. Prawdziwe giganty, jak ten w galaktyce M-87, powstały prawdopodobnie w wyniku zapadania się ogromnych ilości gazu i pyłu, a w dalszej kolejności – „pożerania” sąsiednich gwiazd. Naukowcy twierdzą, że super-masywne czarne dziury istnieją w centrach każdej galaktyki. Najbliższa Ziemi znajduje się zaledwie 26 tys. lat świetlnych od nas, w samym środku naszej galaktyki – Drogi Mlecznej. To Sagittarius A* – czarna dziura o masie czterech milionów Słońc. W jej stronę także skierowano teleskopy projektu EHT, ale gwałtowna zmienność tego obiektu nie pozwoliła na jego sfotografowanie. Można powiedzieć, że nasza własna galaktyczna czarna dziura „za bardzo się wierciła”. Supergigant z galaktyki M-87 zachowywał stabilność wystarczająco długo, aby można było zrobić mu zdjęcie. Choć to, co widoczne na fotografii, to – siłą rzeczy – zaledwie „cień” czarnej dziury. Naleśnik przed horyzontem Na zdjęciu opublikowanym przez zespół EHT widzimy zatem jasny nierównomierny pierścień otaczający czarną przestrzeń. Ten pierścień, zwany wirem akrecyjnym, to rozległy dysk plazmy, czyli rozgrzanej materii, wirujący wokół czarnej dziury z prędkością nieznacznie mniejszą od prędkości światła. Jej nierównomierny rozkład, widoczny na fotografii, wynika z zasad optyki. Jaśniejsza część przyspiesza w naszym kierunku, a ciemniejsza się od nas oddala. Całość wiru akrecyjnego przypomina ogromny, spłaszczony siłą odśrodkową kosmiczny naleśnik. Czarna przestrzeń w środku to miejsce, o którym wiemy niewiele. To horyzont zdarzeń, znajdujący się na tyle blisko czarnej dziury, że wszystko, co go przekroczy, zostanie przez nią wchłonięte. To granica, zza której nie ma powrotu, po jej przekroczeniu wszystkie możliwe drogi prowadzą do wnętrza czarnej dziury. To przestrzeń, której nie możemy już bezpośrednio zaobserwować, a jakiekolwiek informacje o procesach w niej zachodzących (zaczynając od jej istnienia) dostępne są poprzez obserwacje jego otoczenia. Horyzont zdarzeń widoczny na zdjęciu ma średnicę 20 miliardów kilometrów, czyli w przybliżeniu tyle, co cały układ słoneczny. Najdziwniejsze jednak dopiero przed nami. W samym środku czarnej dziury znajduje się tzw. osobliwość, czyli punkt, w którym grawitacja osiąga nieskończenie wielką wartość. To miejsce, w którym zatrzymuje się czas, a znane nam prawa fizyki przestają obowiązywać. Nic dziwnego, że osobliwość od lat rozpala umysły astrofizyków, którzy prześcigają się w hipotezach o jej naturze. Według niektórych jest ona bramą do innych wymiarów i innych wszechświatów, ale póki co to tylko spekulacje z pogranicza fantastyki naukowej. Osobliwość jest czymś tak niezrozumiałym, że trudno nazwać ją obiektem. Jest raczej punktem, ekstremalnym zakrzywieniem czasoprzestrzeni. Zbyt dziwne, by istnieć Istnienie czarnych dziur, czyli gigantycznych nieświecących gwiazd, przewidywali już ponad 200 lat temu astronomowie – Simone de Laplace i John Mitchell. Ich rozważania doprowadziły do zgodnego z fizyką newtonowską wniosku, że gwiazda jest w stanie osiągnąć tak wielką masę, że... przestanie świecić, czyli nie będzie jej można zobaczyć. Pomysł był jednak zbyt rewolucyjny jak na tamte czasy i został zapomniany. Sto lat później, w 1919 roku Karl Schwarzchild, badając równania ogólnej teorii względności Alberta Einsteina, znalazł w nich wzór na istnienie czarnej dziury. Sam Einstein, choć uznawany jest za autora matematycznego odkrycia tych obiektów, nie wierzył w ich rzeczywiste istnienie. Uznał, że byłyby to obiekty zbyt dziwne i ekstremalne, aby mogły istnieć poza wyobraźnią fizyków-teoretyków. Uznawał ich istnienie za czysto matematyczne, w związku z czym nie nadał dziwacznym obiektom żadnej nazwy. Dopiero w 1967 roku uczynił to amerykański fizyk John Archibald Wheeler – wybitny uczeń Einsteina i jeden z najtęższych umysłów nowoczesnej fizyki. Wheeler określił te tajemnicze obiekty, jako „wyrwy” lub „dziury” w czasoprzestrzeni, a zaproponowana przez niego nazwa przyjęła się w świecie naukowym, skąd przeniknęła do potocznego języka i kultury masowej, stając się pożywką dla najdziwaczniejszych hipotez i teorii. O istnieniu czarnych dziur oraz o ich mnogości we wszechświecie (mniejszych czarnych dziur tylko w naszej galaktyce mogą być miliony) wiemy zatem bez żadnych wątpliwości od zaledwie kilkudziesięciu lat. Jednak wiedzieć, a zobaczyć – to istotna różnica. Szczególnie, jeśli w grę wchodzi zobaczenie czegoś, czego zobaczyć się nie da. Grzegorz Dziedzic [email protected] fot.EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION/HANDOUT/EPA-EFE/REX/Shutterstock