Co się dzieje w czarnych dziurach

Spośród wszystkich astronomicznych obiektów prawdopodobnie to czarne dziury najbardziej zawładnęły wyobraźnią miłośników nauki. Chociaż ich istnienie wynika bezpośrednio z równań ogólnej teorii względności, sformułowanej przez Alberta Einsteina w 1915 r., on sam nie mógł uwierzyć w to, że obiekty o tak zaskakujących własnościach mogą być czymś więcej niż tylko matematycznym paradoksem teorii – patologicznym rozwiązaniem, które nie ma prawa zaistnieć w fizycznej rzeczywistości.

Przez kolejnych 50 lat niewielu fizyków traktowało czarne dziury poważnie. Odrzucała ich struktura tego rodzaju obiektów, które sprawiają wrażenie, jakby zawierały gęsto upakowaną grawitującą materię. Ale to tylko pozór, bo czarne dziury są zupełnie niematerialne, składają się wyłącznie z próżni i tkwiącej w ich wnętrzu nieciągłości w tkance czasoprzestrzeni – osobliwości. Teoria względności przewiduje również, że osobliwość otoczona jest horyzontem zdarzeń – niewidzialną membraną, którą dowolny obserwator, cząstka czy niematerialny sygnał przekroczyć mogą tylko w jednym kierunku, podróżując do wnętrza czarnej dziury. Po przekroczeniu horyzontu zdarzeń niemożliwy jest nie tylko powrót do zewnętrznego świata, ale również przesłanie na zewnątrz jakiejkolwiek informacji. Nic, nawet światło, nie może opuścić wnętrza czarnej dziury.

Grawitacja na nowo

W ogólnej teorii względności grawitacja jest równoważna zakrzywieniu czasoprzestrzeni. Księżyc krąży wokół Ziemi nie dlatego, że zmusza go do tego niewidzialna siła (którą Newton nazwałby siłą grawitacji albo siłą powszechnego ciążenia), tylko dlatego, że porusza się w czasoprzestrzeni zakrzywionej przez obecność masywnej Ziemi. Chociaż ten opis może być na pierwszy rzut oka nieintuicyjny, doskonale sprawdza się w praktyce. Korzystamy z niego każdego dnia, kiedy używamy sygnału GPS, którego precyzja wymaga uwzględnienia poprawek wynikających z ogólnej teorii względności. O ile jednak w warunkach ziemskich teoria względności daje względnie niewielką korektę przewidywań teorii Newtona, to w pobliżu horyzontu zdarzeń, gdzie krzywizna czasoprzestrzeni jest bardzo duża, pojawiają się paradoksalne efekty związane zarówno z deformacją struktury przestrzeni, jak i czasu.

Z punktu widzenia odległego obserwatora tempo upływu czasu na horyzoncie zwalnia nieskończenie, a przestrzenna zmienność krzywizny tworzy siły pływowe, które mogą rozerwać na strzępy wpadającego do czarnej dziury nieszczęśnika. W samej osobliwości natomiast krzywizna rośnie do nieskończoności, wyznaczając granicę stosowalności równań Einsteina. Kto przy zdrowych zmysłach uwierzyłby w istnienie tak dziwacznych obiektów?!

W nauce jednak nie zawsze możemy ufać „chłopskiemu rozumowi”. Jeśli pojawiają się dowody na istnienie obiektów o dziwacznych właściwościach, musimy zaakceptować nieintuicyjność fizycznej rzeczywistości i wykorzystać okazję, by tę rzeczywistość zrozumieć lepiej przez badania tego rodzaju zjawisk. Jak mawiał Sherlock Holmes, kiedy wykluczy się wszystko to, co jest niemożliwe, pozostanie prawda, nawet jeżeli wydaje się ona mało prawdopodobna.

Dowody na istnienie

W latach 60. i 70. XX w. pojawiły się obserwacje astronomiczne sugerujące istnienie czarnych dziur. Zidentyfikowano wówczas obiekty znane dziś jako kwazary – potężne aktywne jądra galaktyk. Chociaż na pierwszy rzut oka kwazary przypominały słabe gwiazdy, szczegółowa analiza ich promieniowania dała bardzo dziwne rezultaty. Tego rodzaju badanie, tzw. analiza widmowa, pozwala ustalić skład pierwiastków chemicznych w źródle na podstawie ich charakterystycznych linii widmowych. Widma kwazarów zdawały się sugerować istnienie zupełnie nowych, nieznanych pierwiastków! W 1963 r. Maarten Schmidt zauważył, że są to dobrze znane linie wodoru, bardzo mocno przesunięte ku czerwieni, tzn. ku dłuższym falom. Takie przesunięcie wyjaśnić można było tylko przez ogromną odległość w rozszerzającym się wszechświecie, zgodnie z prawem Hubble’a, wiążącym wynikające z ekspansji „rozciągnięcie” fal światła z odległością.

Tu pojawił się jednak nowy problem – jeśli kwazar oddalony o miliardy lat świetlnych obserwujemy z Ziemi z jasnością porównywalną do gwiazd (odległych zaledwie o setki lat świetlnych), oznacza to, że generuje on niewyobrażalnie wielką energię ze źródła o relatywnie małej (w astronomicznym sensie) wielkości. I tak astronomowie stanęli przed trudnym pytaniem, jaki naturalny proces mógłby wyjaśnić tak ogromną moc? Na pewno nie żaden „standardowy” obiekt astronomiczny. Przypomniano sobie wówczas o dziwnych rozwiązaniach równań Einsteina – czarnych dziurach.

W przeciwieństwie do gwiazd, czarne dziury nie mają górnego ograniczenia na masę i mogą mieć jej tyle, co miliony lub miliardy Słońc. Co więcej, są ekstremalnie zwarte (duża masa, mała średnica), co oznacza, że zanim spadający na czarną dziurę obiekt zniknie bezpowrotnie za horyzontem zdarzeń, może uwolnić bardzo dużo energii grawitacyjnej w formie promieniowania tak silnego, że obserwowalnego z odległej Ziemi. Podobnie, kamień zrzucony na powierzchnię planety uwolni tym więcej energii grawitacyjnej (w formie głośnego huku w zderzeniu z powierzchnią), im silniejsze przyciąganie planety i im wyższa początkowa wysokość.

Nie bez oporów i z pewnym początkowym niesmakiem astronomowie musieli zgodzić się, że supermasywne czarne dziury w jądrach kwazarów to najlepsze rozwiązanie zagadki ogromnej mocy tych obiektów.

Kolejnych dowodów na istnienie czarnych dziur dostarczył pomiar masy obiektu Cygnus X-1, produkującego promieniowanie w zakresie rentgenowskim (X-ray), oszacowanej na około 15 mas Słońca. Tylko bardzo zwarty obiekt mógłby produkować tego rodzaju promieniowanie i jedyną dostatecznie zwartą alternatywą dla czarnej dziury mogła być gwiazda neutronowa. Ale gwiazda neutronowa nie może być tak masywna, co wykazali po raz pierwszy Tolman, Oppenheimer i Volkoff w 1939 r. Żadna znana siła nie byłaby w stanie powstrzymać gwiazdy neutronowej o masie większej niż 2-3 masy Słońca przed całkowitym grawitacyjnym zapadnięciem się i stworzeniem czarnej dziury. Po raz kolejny astronomowie musieli pokonać swój zdrowy sceptycyzm i zaakceptować, że istnienie czarnych dziur, tym razem o masie gwiazdowej, to najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie natury obiektów takich jak Cygnus X-1.

Dekada odkryć

W drugiej dekadzie XXI w. postęp technologiczny zaowocował powstaniem nowej klasy instrumentów umożliwiających badania czarnych dziur. W 2016 r. ogłoszono pierwszą detekcję fal grawitacyjnych przez LIGO (z ang. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Mierzony sygnał odpowiada rozchodzącym się z prędkością światła deformacjom czasoprzestrzeni (tzw. falom grawitacyjnym), powodującym mikroskopijną zmianę odległości między oddalonymi o 4 km zwierciadłami laserowego interferometru – urządzenia wykorzystującego interakcję pomiędzy falami światła, aby umożliwić ekstremalną czułość pomiaru.

Zarejestrowana forma sygnału doskonale odpowiadała wynikającym z ogólnej teorii względności przewidywaniom tego, jak wyglądałby efekt zderzenia czarnych dziur. Obrazowo można ten pomiar porównać do obserwacji fal rozchodzących się na powierzchni stawu po wrzuceniu do niego kamienia, aby na podstawie ich analizy móc wywnioskować masę i kształt kamienia. Wszystko to pod warunkiem, oczywiście, że staw ma wielkość miliarda lat świetlnych, a kamień masę około 30 Słońc.

W kolejnych latach amerykańskie LIGO wraz z europejskim VIRGO dostarczyły dziesiątków podobnych obserwacji, otwierając nową dziedzinę badań – astronomię fal grawitacyjnych. Za ten ważny wkład w rozwój fizyki w 2017 r. badacze związani z LIGO zostali uhonorowani Nagrodą Nobla.

Wieloletnie obserwacje naszego własnego Centrum Galaktyki w bliskiej podczerwieni ujawniły, że znajdujące się tam gwiazdy orbitują wokół niewidocznego zwartego obiektu o masie około 4 mln Słońc, powiązanego z obiektem Sagittarius A*, obserwowanym w zakresie fal radiowych. Jedna z tych gwiazd, znana jako S2, w 2018 r. znalazła się w swoim perycentrum, najbliższym punkcie orbity względem Sagittarius A*. Dostatecznie blisko, by umożliwić pomiar precesji orbitalnej z wykorzystaniem instrumentu GRAVITY VLTI (z ang. Very Large Telescope Interferometer) na chilijskiej pustyni Atacama.

Ten rodzaj precesji, powodujący przesunięcie perycentrum w kolejnych okresach ruchu orbitalnego, jest nieobecny w teorii grawitacji Newtona, według której perycentrum zawsze przypada dokładnie w tym samym punkcie. Sam Einstein wyjaśnił w ten sposób w 1915 r. zagadkowe szczegóły orbity Merkurego, dostarczając pierwszych obserwacyjnych dowodów na prawdziwość swojej teorii. Również w 2018 r. interferometr GRAVITY zaobserwował ruch materii wokół Sagittarius A* na orbicie o niezwykle małym promieniu, dostarczając kolejnego ograniczenia na ekstremalną zwartość ciemnego obiektu w Centrum Galaktyki. Wszystkie te obserwacje doskonale zgadzają się z hipotezą, że Sagittarius A* to supermasywna czarna dziura. Za uzyskanie tych rezultatów przyznano w 2020 r. Nagrodę Nobla.

Wreszcie, w roku 2019 opublikowany został pierwszy obraz czarnej dziury w centrum galaktyki M87, uzyskany przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT, z ang.  Event Horizon Telescope), wirtualny radioteleskop o rozmiarze całej planety. Miałem przyjemność uczestniczyć w pracach nad uzyskaniem tych rezultatów. Podobnie jak w wypadku LIGO i GRAVITY, kluczem do technologicznego sukcesu okazała się interferometria, tym razem nie w podczerwieni, a w dziedzinie milimetrowych fal radiowych. W 2022 r. EHT zaprezentował również obraz Sagittarius A*, obiektu w centrum naszej Drogi Mlecznej. Zarówno M87, jak i Sagittarius A* wyglądają na obrazach jak pierścień światła emitowanego przez gorący gaz pożerany przez czarną dziurę, otaczający ciemne wnętrze. Rozmiar pierścienia, powiększony przez grawitację niczym przez potężną soczewkę uginającą promienie światła, zgadza się dokładnie z wartością wynikającą z obliczeń dla czarnej dziury o danej masie.

Ciemne wnętrze pierścieni odpowiada rejonowi za horyzontem zdarzeń, którego żaden foton nie może opuścić, aby dotrzeć do naszych teleskopów. Obserwacje EHT demonstrują istnienie supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk. W przeciwieństwie do czarnych dziur o masie gwiazdowej, będących efektem grawitacyjnego kolapsu masywnych gwiazd po wyczerpaniu paliwa niezbędnego do prowadzenia fuzji jądrowej, nie do końca rozumiemy mechanizm prowadzący do powstawania ich supermasywnych odpowiedników. Wydaje się, że urosły one zbyt szybko w historii wszechświata w stosunku do tego, co przewidują nasze teorie.

Niewyjaśniona tajemnica

Dziś istnienie czarnych dziur jest szeroko akceptowane przez astrofizyków jako empiryczny fakt. Niemniej, pozostaje szereg fundamentalnych problemów związanych ze zrozumieniem ich działania. Skrywająca się pod horyzontem zdarzeń osobliwość wciąż dostarcza kłopotów interpretacyjnych, które być może zostaną w przyszłości rozwiązane przez nieuchwytną do tej pory kwantową teorię grawitacji, uogólniającą ogólną teorię względności i usuwającą nieszczęsne zero w mianowniku jej równań. Obliczenia prowadzone od lat 70. wykazały zaskakujący efekt parowania czarnych dziur i emisję tzw. promieniowania Hawkinga.

Efekt ten stał się źródłem paradoksu informacji, fundamentalnego problemu dotyczącego pogodzenia parujących czarnych dziur z zasadami mechaniki kwantowej. Co więcej, obszar za horyzontem zdarzeń oraz ukryta w jego wnętrzu osobliwość są co do zasady nieobserwowalne, zatem nasze dowody na istnienie czarnych dziur opierają się na badaniach ich interakcji z otoczeniem. Teoretycznie wciąż możliwa jest konstrukcja alternatywnych modeli ultrazwartych obiektów, takich jak gwiazdy bozonowe, tunele czasoprzestrzenne czy nagie osobliwości pozbawione horyzontu zdarzeń.

Przez 110 lat od sformułowania ogólnej teorii względności nauka przebyła bardzo długą drogę. Status czarnych dziur zmienił się z matematycznej patologii równań w najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie licznych obserwacji astronomicznych. Te niezwykłe obiekty wciąż skrywają wiele fascynujących tajemnic, a liczni astrofizycy mają nadzieję, że ich dalsze badania z wykorzystaniem nowych narzędzi obserwacyjnych mogą pewnego dnia pomóc nam zrozumieć relację między mechaniką kwantową a grawitacją.