Jeszcze bliżej czarnej dziury

Pierwszy współczesny model czarnej dziury – a więc taki, który byłby już wyrażony w obowiązującym do dziś języku opisu czasoprzestrzeni, jakim jest ogólna teoria względności (OTW) ­– zaproponował w 1916 r. Karl Schwarzschild. Od tego czasu pojawiły się ponadto kolejne, coraz bardziej realistyczne modele, np. uwzględniające obrót czarnej dziury wokół swojej osi: to tak zwana czarna dziura Kerra, opisana w 1963 roku.

To wszystko jednak wyłącznie propozycje matematyczne: struktury, które mogłyby istnieć w czasoprzestrzeni takiej, jaką przewiduje OTW. Teoria ta jest jednak zgodna, czysto matematycznie, z wielką, potężnie nieskończoną liczbą rozmaitych propozycji tego typu. Niektóre z nich, choć na płaszczyźnie czysto teoretycznej są bez zarzutu, prawdopodobnie nie istnieją w naszym Wszechświecie. Przykładowo, nie ma żadnych powodów, by przypuszczać, że gdzieś w Kosmosie występują tunele czasoprzestrzenne; albo inne egzotyczne konfiguracje czasoprzestrzenne stawiające pod znakiem zapytania zwykły porządek czasowy i przyczynowy.

Zaobserwować nieobserwowalne

Od kiedy tylko czarne dziury zagościły na stałe w świecie fizyki teoretycznej, nie ustają próby zaobserwowania rzeczywistych śladów ich istnienia. Fundamentalny problem z tym programem polega na samej idei tego, czym jest czarna dziura: jest to bowiem obszar czasoprzestrzeni, z którego nie może wydostać się żaden sygnał fizyczny, czy to w postaci cząstki materialnej, czy światła. Natura niejako zabrania więc nam bezpośredniej obserwacji tego, co kryje się poza ściśle określoną granicą, określaną jako horyzont zdarzeń. Jesteśmy więc zmuszeni do wnioskowania o istnieniu tych obiektów na podstawie tego, co dzieje się w ich otoczeniu. Poszlaki takie można podzielić na dwie główne grupy.

Po pierwsze, można poszukiwać miejsc we Wszechświecie, w których wydaje się rezydować jakiś obiekt masywny – a typowe tak zwane gwiazdowe czarne dziury mają masy przekraczające kilkadziesiąt razy masę Słońca – jednak w których nie da się zaobserwować żadnej struktury przy pomocy zwykłych technik astronomicznych. Innymi słowy, poszukiwane byłyby skutki grawitacyjne istnienia czarnej dziury.

Po drugie, choć informacja o zdarzeniach wewnątrz horyzontu zdarzeń nie może „wypłynąć” poza ten obszar, to procesy dziejące się tuż poza horyzontem mogą być już normalnie obserwowalne. W szczególności, materia opadająca na czarną dziurę powinna zachowywać się z grubsza tak samo, jak ta opadająca na każdy inny obiekt podobnych rozmiarów i podobnej masy. Typową konfiguracją jest tak zwany dysk akrecyjny: płaska struktura o kształcie spodka, wewnątrz której masa „spływa” po spiralnych trajektoriach w kierunku obiektu centralnej.

W centrach galaktyk

Od lat 70. XX w. tempo odkrywania poszlak tego typu wzrosło i dziś, w 2019 r., mamy ich już mnóstwo. Szczególnie interesującym rozwinięciem okazało się odkrycie tak zwanych supermasywnych czarnych dziur (supermassive black hole, SBH), znajdujących się w centralnych obszarach wszystkich – lub prawie wszystkich – dużych galaktyk we Wszechświecie. Nie jest do końca jasne, jak dochodzi do ich powstawania, dzięki obserwacjom najbardziej odległych obiektów astronomicznych wiadomo jednak, że istnieją one już od pierwszych miliardów lat dziejów Wszechświata. Ponieważ masy SBH wydają się być proporcjonalne do mas galaktyk, w których rezydują, wygląda na to, że powstają one z materii „opadającej” ku środkowi galaktyki w toku jej ewolucji.

Czarne dziury typu SBH są szczególnie dogodnym przedmiotem badań astronomicznych. Przede wszystkim, są one bardzo duże i bardzo masywne, co ułatwia ich obserwację. Warto pamiętać, że przy odległościach panujących we Wszechświecie zaobserwowanie szczegółów nawet najbliższych Słońcu gwiazd wciąż graniczy z niemożliwością – obiekty zbliżone rozmiarami do gwiazd są więc dla astronomów, nawet wyposażonych w najlepsze teleskopy i spektrofotometry, punkcikiem światła. SBH są zaś miliony razy bardziej masywne od czarnych dziur gwiazdowych, co zwiększa szansę na uzyskanie na ich temat bliższych informacji. Od 1995 roku trwała intensywna kampania pomiarowa nakierowana na SBH, której istnienie podejrzewano w sercu naszej własnej galaktyki. W 1998 udało się już ustalić, że gwiazdy w centralnym obszarze Drogi Mlecznej wydają się orbitować wokół czegoś bardzo masywnego, jednak niewidocznego. Dziś pomiary te są już tak wysokiej jakości, że owa SBH otrzymała już swoją oficjalną nazwę: Sagittarius A, a jej masę szacuje się na 4,1 miliona mas Słońca.

Wielki rok dla czarnych dziur

W kwietniu 2019 roku przedstawiono światu „jedną z najsłynniejszych fotografii w dziejach nauki”, przedstawiającą SBH w galaktyce eliptycznej M87. Choć nie jest to do końca fotografia – a raczej rekonstrukcja uzyskana na podstawie potężnego zbioru danych radioastronomicznych  pozyskanych przez Event Horizon Telescope ­– stanowi najbardziej szczegółowy obraz otoczenia SBH, jaki kiedykolwiek uzyskano. Na obrazie tym warto zwrócić uwagę na dwie rzeczy.

Po pierwsze, kształt widzianych na nim jasnych struktur powstał pod wpływem bardzo silnego zdeformowania czasoprzestrzeni wokół SBH. Przykładowo, najjaśniejsza półksiężycowata struktura widoczna „pod” centralną czarną plamą to w dysk akrecyjny: wydaje się więc, że patrzymy na czarną dziurą „od spodu” lub „od góry”. Analizy wskazują jednak, że w rzeczywistości dysk ten ułożony jest do nas bokiem – tak, jak gdybyśmy patrzyli na leżący na stole spodek, przysuwając oczy do krawędzi stołu. Fakt, że struktura ta nie jest tylko cienkim „ostrzem”, wynika właśnie z gigantycznej deformacji przestrzeni, w dużej zgodności z przewidywaniami fizyków teoretycznych.

Po drugie, owa centralna ciemna plama to też nie jest jeszcze „czarna dziura sama w sobie”, jak można by określić obszar obejmowany przez horyzont zdarzeń. Z tego samego powodu, dla którego dysk akrecyjny widzimy z tak silnym stopniem deformacji, również i sam horyzont zdarzeń oglądamy jak gdyby przez soczewkę. Obliczenia mówią, że w rzeczywistości promień jego jest mniej więcej trzykrotnie mniejszy od obszaru zaciemnionego na owym powszechnie znanym obrazie. Krótko mówiąc, warto pamiętać, że patrzymy w rzeczywistości na obraz bardzo silnie zdeformowany i jeżeli chcemy wyobrazić sobie, jakie obiekty istnieją „tak naprawdę” w zobrazowanym obszarze Kosmosu, potrzebne jest sporo specjalistycznej wiedzy i sporo wyobraźni. Nie zmienia to jednak faktu, że lepszego obrazu czarnej dziury po prostu nie ma.

Nauka na żywo II: wielkie debaty – zadanie finansowane w ramach umowy 761/P-DUN/2019 ze środków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę.

Wykład dr. Tomasza Millera poświęcony czarnym dziurom: