By Adrian Cho, Science, Jan 7,2021, translated by Marta Koblańska, January 2021, Photo: czarna dziura, obraz wygenerowany przez AI, Kyraxys, Pixabay

Choć brzmi to jak fantastyka, czarne dziury są we Wszechświecie. I choć wielu fizyków było sceptycznych wobec pojawiających się coraz to nowych teorii dotyczących ich natury i istnienia , to jednak nie mogą zaprzeczyć obserwacjom teleskopowym.

Podczas pracy nad swoim doktoratem we wczesnych latach 70. Saul Teukolsky rozwiązał problem, który wydawał się być czysto hipotetyczny. Jaki? Wyobraź sobie czarną dziurę, upiorny węzeł grawitacji, który formuje się wówczas, kiedy wielkie gwiazdy ulegają wyczerpaniu i wpadają w nieskończenie mały punkt. Przypuszczalnie możesz ten proces zakłócić w sposób podobny do uderzenia w dzwon. Jak odpowiada czarna dziura?

Teukolsky, wówczas student studiów magisterskich w California Institute of Technology, zaatakował ten problem przy użyciu ołówka, papieru oraz teorii grawitacji Alberta Einsteina – teorii względności. Odkrył, że podobnie jak w przypadku dzwonu, drgania czarnej dziury dotyczyłyby głównie częstotliwości oraz wielu rodzajów dźwięków harmonicznych. Drgania szybko znikałyby, gdy czarna dziura promieniowałaby falami grawitacyjnymi – pulsacyjnie w strukturze samej przestrzeni. – To był słodki problem– mówi Teukolsky teraz pracownik Cornell University. – I był zupełną abstrakcją jeszcze pięć lat wstecz.

W lutym 2016 roku eksperymentatorzy z obserwatorium Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), w których w Luizjanie i Waszyngtonie umieszczono parę potężnych instrumentów zaraportowali pierwszą obserwację przelotnych fal grawitacyjnych, wyemitowanych przez dwie czarne dziury, obie około 30-krotnie większe od Słońca, wchodzących w siebie ruchem spiralnym w oddaleniu o 1,3 mld lat świetlnych. LIGO zarejestrował nawet “dzwonienie w dół”: drgania masywniejszej czarnej dziury powstałej w wyniku fuzji. Stara teza Teukolskiego stała się nagle przełomem w fizyce.

– Myśl, że to co robiłem, będzie miało kiedykolwiek wpływ na rzeczy mierzalne jeszcze podczas mojego życia, była tak bardzo niedorzeczna, że ostatnie pięć lat wydawały się być życiem jak w świecie snu – mówi Teukolsky. – Muszę się uszczypnąć, bo to nie wydaje się rzeczywiste.

Choć może wydawać się to fantastyką, naukowcy mogą obecnie badać czarne dziury jako rzeczywiste obiekty. Detektory fal grawitacyjnych wykryły cztery tuziny fuzji czarnych dziur odkąd przełomowe odkrycie LIGO zostało poczynione. W kwietniu 2019 roku, w wyniku współpracy międzynarodowej teleskop zwany Event Horizon Telescope (EHT) wyprodukował pierwszy obraz czarnej dziury. Poprzez ustawienie radioteleskopów na całym globie na ogromną czarną dziurę w sercu bliskiej galaktyki Messier 87 (M87), EHT zarejestrował obraz ognistego pierścienia gorącego gazu otaczającego atramentowy “cień” czarnej dziury. W międzyczasie astronomowie obserwują gwiazdy, które zbliżają się do czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki, podążając szlakami, które mogą zawierać klucze dotyczące natury samej czarnej dziury.

Obserwacje stanowią wyzwanie dla astrofizyków i ich założeń na temat tego, jak formują się czarne dziury oraz jak wpływają na swoje otoczenie. Mniejsze wykryte przez LIGO oraz europejski detektor fal grawitacyjnych VIRGO we Włoszech, udowadniają, że są cięższe i bardziej zróżnicowane niż oczekiwano. To zaś wystawia dotychczasowe osiągnięcia astrofizyków na próbę w kontekście zrozumienia z czego mogą powstawać wielkie gwiazdy. A środowisko skupione wokół super wielkiej czarnej dziury w naszej Galaktyce wydaje się zaskakująco płodne, wytwarzając młode gwiazdy, co do których nie oczekiwano, że się uformują w takim zamieszaniu. Jednak niektórzy naukowcy czują się w obowiązku zadania pytania bardziej fundamentalnego: Czy czarne dziury przewidziane teorią Einsteina są rzeczywiście widoczne?

Niektórzy teoretycy twierdzą, że odpowiedź najprawdopodobniej brzmi „tak”. – Nie myślę, że z tych obserwacji dowiemy się czegoś więcej o samej ogólnej teorii względności lub o teorii czarnych dziur – mówi Robert Wald, teoretyk grawitacji z Uniwersytetu w Chicago.

Inni już nie są tego tak pewni. – Czy czarne dziury są dokładnie takie same jak można oczekiwać przy uwzględnieniu teorii względności, czy są różne? – pyta Clifford Will, teoretyk grawitacji z Uniwersytetu Floryda. – To wydaje się być główną siłą przyszłych obserwacji. Jakiekolwiek anomalie wymagałyby przemyślenia teorii Eisteina, która jak podejrzewają fizycy, nie jest ostatecznym słowem jeśli chodzi o grawitację, jako że nie pasuje do innego punktu milowego współczesnej fizyki, mechaniki kwantowej.

– Wykorzystując różnorakie techniki, badacze już pozyskują różne, uzupełniające się spojrzenia na te dziwne obiekty – mówi Andrea Ghez, astrofizyk z Uniwersytetu w Kaliforni, która razem z Rogerem Penrose, oraz Reinhardem Genzel w 2020 roku otrzymała nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za wydedukowanie istnienia ogromnej czarnej dziury w sercu naszej Galaktyki. – Przed nami nadal długa droga do złożenia w całość kompletnego obrazu – mówi – choć z pewnością uzyskujemy coraz więcej elementów tej układanki.

Składająca się z czystej energii grawitacyjnej, czarna dziura jest kulą przeciwności. Nie zawiera materii, ale jak kula do kręgli, posiada masę i potrafi obracać się. Nie ma powierzchni, ale ma rozmiar. Zachowuje się jak okazały, ciężki obiekt, ale w rzeczywistości jest tylko osobliwością przestrzeni.

Tak przynajmniej mówi teoria względności, którą Einstein opublikował w 1915 roku. Dwa wieki wcześniej, Isaak Newton przypuszczał, że grawitacja to siła, która w jakichś sposób jest obecna w przestrzeni, w celu przyciągania do siebie masywnych obiektów. Einstein poszedł dalej i argumentował, że grawitacja pojawia się ponieważ masywne obiekty takie jak gwiazdy i planety zakrzywiają przestrzeń i czas, a dokładniej czasoprzestrzeń, powodując, że trajektorie swobodnie spadających obiektów zakrzywiają się w, powiedzmy, łuk paraboli podobnie jak rzucana kula.

Wczesne przewidywania ogólnej względności różniły się jedynie nieznacznie od tych z teorii Newtona. Tam, gdzie Newton przewidywał, że planeta powinna okrążać gwiazdę po elipsie, ogólna teoria względności przewiduje, że orientacja elipsy powinna nieznacznie wzrosnąć lub poddać się precesji w stosunku do każdej orbity. Przy pierwszym triumfie teorii, Einstein wykazał, że przekładała się ona na wcześniej niewyjaśnioną precesję orbity planety Merkury. Po latach fizycy zdali sobie sprawę, że teoria ta również zakłada coś daleko bardziej radykalnego.

W roku 1939 teoretyk Robert Oppenheimer wraz z zespołem obliczył, że kiedy następuje wypalenie odpowiednio wielkiej gwiazdy żadna znana siła nie może powstrzymać zapadnięciu się jej jądra do nieskończenie małego punktu. Taka gwiazda zostawia przy tym za sobą swoje pole grawitacyjne jako trwałą dziurę w czasoprzestrzeni. Przy pewnej odległości tego punktu, grawitacja byłaby tak silna, że nawet światło nie byłoby w stanie przed nią uciec. – Cokolwiek byłoby bliżej, zostałoby odcięte od pozostałej części Wszechświata – argumentował David Finkelstein, teoretyk z California Institute of Technology Caltech w 1958 roku. Ten “horyzont zdarzeń” nie jest fizyczną powierzchnią. Astronauta spadający obok nie zauważyłby nic specjalnego. Tak, czy inaczej, uzasadniał Finkelstein, który zmarł chwilę przed obwieszczeniem LIGO w 2016 roku, horyzont zachowywałby się podobnie do jednokierunkowej błony, pozwalając na upadek obiektów do wewnątrz, ale zapobiegając wydostaniu się ze środka.

Zgodnie z ogólną teorią względności, te obiekty, w końcu nazwane czarnymi dziurami przez słynnego teoretyka Johna Archibalda Wheelera, powinny również wykazywać porażającą monotonność. W 1963 roku Roy Kerr, matematyk z Nowej Zelandii, wypracował w jaki sposób wirowanie czarnej dziury z określonej masy zakrzywiałoby i przekręcało czasoprzestrzeń. Inni szybko udowodnili, że, przy teorii względności, masa i spin są jedynymi cechami czarnej dziury, co oznacza, że matematyczny wzór Kerra, znany jako wyrażenie Kerra opisuje każdą czarną dziurę jaka istnieje. Wheeler nazywał wynik twierdzeniem o braku włosów, aby podkreślić, że dwie czarne dziury o tej samej masie i spinie są tak samo nie do odróżnienia jak łyse głowy. Wheeler sam był łysy, Teukolsky zauważa, że to mogła być “duma łysego”.

– Niektórzy fizycy podejrzewali, że czarne dziury mogą istnieć jedynie w wyobraźni teoretyków – mówi Sean Carroll, teoretyk z Caltech. Sceptycy argumentowali, że czarne dziury mogą stanowić artefakt wyższej matematyki ogólnej teorii względności lub mogą formować się jedynie wskutek nierealistycznych warunków, takich jak zapadnięcie się idealnie sferycznej gwiazdy. Jednakże w późnych latach 60. Roger Penrose, fizyk-teoretyk z Uniwersytetu w Oksfordzie rozwiał te wątpliwości, stosując ścisłe zasady matematyki za co w 2020 roku razem z Reinhardem Genzel i Andreą Ghez otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. – Penrose dokładnie dowiódł, że nawet przy obiekcie pokaźnych rozmiarów, o ile jego gęstość stanie się odpowiednio wysoka, zapadnie się on w czarną dziurę – mówi Carrol.

Wystarczająco wcześnie astronomowie zaczęli widywać oznaki obecnych czarnych dziur. Dostrzegli niewielkie źródła promieniowania X takie jak Cyngus X-1, każde na orbicie gwiazdy. Astrofizycy wywnioskowali, że promienie x pochodzą z gazu wypływającego z gwiazdy i nagrzewającego się w razie jego opadania na tajemniczy obiekt. Temperatura gazu i szczegóły orbity sugerowały, że źródło promieniowania x było zbyt silne i zbyt małe, aby być czymkolwiek innym niż czarną dziurą. Podobne rozumowanie sugerowało, że kwazary – odległe galaktyki emitujące promieniowanie, są napędzane przez ogromne czarne dziury w ich centrach.

– Ale nikt nie mógł być pewien, że te czarne dziury są obecnie tym, co przedstawili teoretycy, zauważa Feryal Özel, astrofizyk z Uniwersytetu w Arizonie. Na przykład – niewiele z tego co dotychczas zdziałano, ugruntowuje wiedzę na temat istnienia horyzontu zdarzeń – mówi – To jest pytanie otwarte.

Obecnie, za pomocą wielu dróg mających na celu podglądanie czarnych dziur, naukowcy mogą zacząć badać swoje zrozumienie tematu oraz poszukiwać niespodzianek, które zrewolucjonizują fizykę. – Nawet jeśli jest to mało prawdopodobne, to niezwykle ważne jest, żeby odkryć czy miały miejsce jakiegokolwiek odchylenia od ogólnej teorii względności – mówi Carrol. – To jest pytanie bardzo wysokiego ryzyka oraz pytanie wysokiej nagrody.

Naukowcy mają nadzieję odpowiedzieć na trzy pytania. Czy obserwowane czarne dziury rzeczywiście mają horyzont zdarzeń? Czy są one tak bardzo pozbawione cech, jak mówi twierdzenie o braku włosów? I czy zniekształcają czasoprzestrzeń dokładnie tak jak przewiduje wyrażenie/metryka Kerra (rozwiązanie równań Einsteina – przyp. MK)?

Możliwe, że najprostszym narzędziem w celu uzyskania odpowiedzi jest to opracowane przez Ghez. Od 1995 roku ona i jej zespół wykorzystują 10-metrowy teleskop Kecka na Hawajach w celu obserwacji gwiazd wokół źródła promieniowania znanego jako Sagittarius A* (Sgr A*) w centrum naszej Galaktyki. W 1998 roku wysoka prędkość gwiazd ujawniła, że okrążają one obiekt 4 mln razy większy od Słońca. Ponieważ Sgr A* wtłacza tak wiele masy w tak małą objętość, ogólna teoria względności przewiduje, że musi być ogromną czarną dziurą. Reinhard Genzel, astrofizyk z Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics niezależnie obserwował gwiazdy dochodząc do tego samego wniosku, za co dzielił z Getz Nagrodę Nobla.

Tekst oryginalny w języku angielskim. Dziękując autorowi – Adrianowi Cho z przeprosinami za niedociągnięcia w języku polskim.