Wiele twarzy jednej dziury

Istnieje kilka terminów w kosmologii, które zawsze budzą nieporozumienia. Jednym z nich jest „Wielki Wybuch” – coś, co zaczęło się od żartobliwej uwagi, dziś na stałe weszło do języka nauki, jednak skojarzenia rodzące się pod wpływem tego określenia są najczęściej fatalne. Co bowiem implikuje odwołanie się do metafory wybuchu? Ano, choćby to, że jeszcze przed eksplozją istniał przygotowany zawczasu ładunek wybuchowy, który został następnie odpalony. Co więcej, eksplozja ma swój środek, punkt centralny, od którego odlatują odłamki z wielką prędkością, frunąc przed przestrzeń. To wszystko, jak się okazuje, skojarzenia wręcz fatalne, gdy przychodzi do zrozumienia pierwszych chwil naszego Wszechświata.

Drugim przypadkiem kłopotliwym są czarne dziury. Skojarzenia z tym terminem również bywają nieprecyzyjne, jednak nie w tym największy problem, a raczej w tym, że „czarna dziura” to tak naprawdę kilka odrębnych zagadnień naukowych, które są ze sobą powiązane w nieoczywisty, zagmatwany sposób.

Ciemne gwiazdy Michella i czarne dziury Schwarzschilda
Historia czarnych dziur rozpoczyna się w 1783 roku, kiedy to naturalista brytyjski i teolog John Michell przedstawił w czasopiśmie naukowym Philosophical Transactions of the Royal Society of London odważne rozumowanie. Jeśli – twierdził – potraktuje się światło jako strumień cząstek o określonej prędkości (co nie było wówczas, wbrew pozorom, tezą heretycką, lecz jednym z możliwych przewidywań fizyki Newtonowskiej) oraz – co już bardziej kontrowersyjne – jeśli cząstki te oddziałują grawitacyjnie, to powinno dać się wskazać taką masę gwiazdy, przy której wszelkie wyemitowane przez nią promieniowania zostanie zawrócone i opadnie na jej powierzchnię. Obiekt taki Michell określił jako „dark star” („ciemną gwiazdę”), a wartość graniczną masy, przy której miałyby powstawać, wyznaczył na 500 mas Słońca (mS). W 1796 i 1799 roku Pierre Simon de Laplace wykonał podobne obliczenia, uzyskując wynik 250 mS.
Od obliczeń tych minęło już ponad 200 lat, zaś w międzyczasie naukowe rozumienie grawitacji zostało postawione na głowie za sprawą rewolucji relatywistycznej, jednak zasadnicza logika, która kryje się za „ciemnymi gwiazdami” Michella, pozostaje w mocy: jeśli masa wpływa na tor lotu fotonów, to teoretycznie można opisać obiekt, z którego światło nie jest się w stanie wydostać. W ramach ogólnej teorii względności analogiczne rozumowanie jako pierwszy przedstawił Karl Schwarzschild, uzyskując wynik, co ciekawe, nie w postaci masy, lecz gęstości. W ramach opisanej przez niego najprostszej, nieruchomej, doskonale symetrycznej kulistej struktury, zwanej „czarną dziurą Schwarzschilda”, można opisać obiekt o zupełnie dowolnej masie, który jednak, jeśli tylko ściśnie się go do odpowiednio małej objętości, stanie się „zlewem dla światła”. Przykładowo, dla obiektu o masie Słońca, tzw. promień Schwarzschilda wynosi 3 km, a dla obiektu o masie Ziemi – 9 mm. Gdyby więc ścisnąć Ziemię do postaci kulki o średnicy 1,8 cm – polecam wyobrazić sobie, jak spoczywa ona na dłoni – stałaby się, zgodnie z przewidywaniem modelu Schwarzschilda, oczywiście, czarną dziurą.

Co się dzieje z gwiazdami?

Mimo skrajnie odmiennego formalizmu teorii Newtona i ogólnej teorii względności Einsteina, występujące w obu tych teoriach „czarne dziury” można jednak uznać za obiekty podobnego typu: są to po prostu „czyste”, hipotetyczne, matematyczne przewidywania teorii fizycznych. Ściśle rzecz biorąc, są to struktury matematyczne, które wcale nie muszą odpowiadać żadnemu rzeczywistemu zjawisku fizycznemu. Mają oczywiście szereg swoistych własności. „Czarna dziura Mitchella”, przykładowo, ma powierzchnię, zupełnie jak Słońce. Czarna dziura Schwarzschilda powierzchni nie ma, posiada za to „osobliwość” – punkt w przestrzeni, w pobliżu którego wartości niektórych parametrów czasoprzestrzeni zdążają do nieskończoności. Są to jednak, podkreślmy, czysto teoretyczne cechy pewnych obiektów teoretycznych.

Czarne dziury pojawiają się jednak w fizyce również w kontekście bardzo konkretnym. Gdy bada się ewolucję gwiazd, zwłaszcza tych bardzo masywnych, pojawia się interesujący problem związany ze sposobem zachowania się materii – w miarę pojawiania się coraz większych sił „ściągających” materię ku środkowi gwiazdy, wszystkie znane fizykom oddziaływania fizyczne powodujące odpychanie się od siebie atomów, a potem ich cząstek składowych, stopniowo okazują się być niedostatecznie silne, by temu „ściąganiu” przeciwdziałać. Oddziaływania te nie mają nieskończonej siły, wraz ze wzrostem ciśnienia będą więc kolejno „ulegać” grawitacji. Rzecz w tym, że lista tych oddziaływań nie jest nieskończona, a fizycy zajmujący się budową materii nie znają obecnie żadnej siły mogącej powstrzymać opadanie na siebie cząstek po tym, gdy zostanie „pokonane” tzw. oddziaływanie silne jądrowe. Nie ma po prostu żadnej znanej siły we Wszechświecie, która mogłaby powstrzymać cząstki zdążające do środka ciężkości odpowiednio masywnego obiektu. Gdyby więc przyjąć, że siły takiej nie ma nie tylko w podręcznikach fizyki, ale i w rzeczywistym Wszechświecie, powstaje przewidywanie, iż odpowiednio masywne jądro gwiazdy – o masie większej niż ok. 3 mS – będzie zapadać się w sposób nieograniczony, tj. osiągnie dowolnie wysoką gęstość. Siłą rzeczy, przekroczy więc na tej drodze gęstość Schwarzschilda, stając się czarną dziurą.

Również i to przewidywanie mogłoby być wyłącznie teoretyczną ciekawostką, gdyby nie fakt, że astrofizycy zajmujący się badaniem ewolucji gwiazd stanowczo stwierdzają, że we Wszechświecie istnieją potężne ilości obiektów gwiazdowych, które osiągają odpowiednie masy, zaś staranne obserwacje astronomiczne wskazują na istnieniu wielu „kandydatów na czarną dziurę”. Są to miejsca, które wydają się organizować przestrzeń wokół siebie zupełnie jak zwarty obiekt obdarzony sporą masą, jednak które pozostają ciemne, bez względu na to, przy pomocy jakiej techniki astronomicznej je oglądać.

Co właściwie zaobserwowaliśmy?

W tym miejscu bardzo łatwo popaść w błąd, utożsamiając zaobserwowane zjawisko astronomiczne z jego modelem fizycznym. Przypuśćmy, że uznaliśmy odpowiednie dowody obserwacyjne za przekonujące i zgadzamy się, że w tym-i-tym miejscu w naszej galaktyce rzeczywiście znajduje się „czarna dziura”. Co to stwierdzenie właściwie oznacza? Czy znajduje się tam czarna dziura Michella, Laplace’a, Schwarzschilda, a może któryś z licznych innych modeli teoretycznych, o których nie wspomnieliśmy, jak czarna dziura Kerra czy czarna dziura Newmana? Dalej – czy obserwacja taka uprawnia nas do stwierdzenia, iż „obserwacje astronomiczne potwierdzają, że we Wszechświecie znajdują się osobliwości”?

Tu właśnie potrzebna jest wielka ostrożność. Zaobserwowanie obiektu, który zgadza się z pewnym opisem teoretycznym, nie oznacza, że potwierdzone obserwacyjnie zostały wszystkie zjawiska będące elementami tego opisu teoretycznego. Nie obserwuje się modeli, lecz konkretne obiekty przyrodnicze; w przypadku czarnych dziur zaś ta obserwacja jest zaś tak naprawdę… brakiem obserwacji. Co więcej, niektórzy fizycy nie są zbyt przychylnie nastawieni do idei, że w naszym Wszechświecie naprawdę znajdują się tak nieprzyjemne anomalie, istnieją więc hipotezy przewidujące „włączenie się” w ostatniej chwili jakiegoś zjawiska fizycznego, które zapobiega powstaniu osobliwości. Czysto teoretycznie, nie jest to wykluczone – to raczej najlepsza obecnie teoria grawitacji nie ma tego typu modeli w zanadrzu, za to chętnie oferuje nam takie z osobliwościami.

Gdy więc mowa o „czarnych dziurach”, warto zwrócić uwagę, czy w danym przypadku mowa o zjawisku astronomicznym czy matematycznym – różnica jest spora, a pomieszanie jednego typu z drugim grozi zaludnieniem świata fizycznego obiektami matematycznymi. Co jest, mówiąc, delikatnie, metafizycznie niewskazane.

Łukasz Lamża