Czarne dziury odkrywano stopniowo i zawsze wiązało się to z zaskoczeniem. Pierwsze zaskoczenie było udziałem samego Alberta Einsteina. Pod koniec 1915 r. ów genialny fizyk, ledwie kilka tygodni po opublikowaniu równań ogólnej teorii względności, otrzymał list od Karla Schwarzschilda – pruskiego astronoma, który służył wówczas na froncie wschodnim I wojny światowej. Schwarzschild przedstawiał w swoim liście pewne ścisłe rozwiązanie zawiłych równań Einsteina, opisujące kształt czasoprzestrzeni wokół masywnego, kulistego ciała, takiego jak gwiazda czy planeta. Rozwiązanie to miało ciekawą własność, z której wynikało, że gdy ciało niebieskie jest wystarczająco małe i ciężkie, to deformuje pobliską czasoprzestrzeń tak bardzo, iż nic – nawet światło – nie jest w stanie się stamtąd wydostać.

Pierwszy obraz cienia czarnej dziury

Tekst powstał przy współpracy z Copernicus Festival. Autorem jest Tomasz Miller

Einstein odrzucił taki scenariusz jako niefizyczny, albowiem wymagałby on ściśnięcia iście astronomicznej ilości materii w stosunkowo niewielkim obszarze przestrzeni (na przykład ciało o masie Słońca trzeba by „skompresować” do rozmiarów warszawskiego Mokotowa). Nie był to ostatni raz, gdy twórca teorii względności nie wierzył własnym równaniom – gdy w 1916 roku naprowadziły go one na trop istnienia fal grawitacyjnych, czyli rozchodzących się z prędkością światła „zmarszczek czasoprzestrzeni”, również uznał je za matematyczny artefakt, który nie opisuje rzeczywistego, fizycznego zjawiska.

Z biegiem lat robiło się coraz dziwniej. Pod koniec lat 30., gdy już mniej więcej rozumiano, czym są gwiazdy i dlaczego świecą, Robert Oppenheimer i George Volkoff wykazali, że dostatecznie masywna gwiazda, której „wyczerpie się paliwo”, musi się zapaść się pod swoim własnym ciężarem, finalnie realizując scenariusz Schwarzschilda. Ich model był jednak bardzo uproszczony. Zakładał na przykład, że gwiazda się nie obraca, co jest sytuacją równie nieprawdopodobną jak rzut monetą, która staje kantem. Wciąż można więc było argumentować, iż rzeczywiste, wirujące gwiazdy w jakiś sposób unikają kompletnej grawitacyjnej zapaści albo czasoprzestrzeń wokół nich nie staje się aż tak „dziwaczna”.

Wszystko zmieniło się w latach 60., gdy w naszym rozumieniu Wszechświata nastąpiło tyle przełomów, że okres ten nazwano potem „złotą erą” teorii względności. W roku 1963 nowozelandzki fizyk Roy Kerr znalazł nowe ścisłe rozwiązanie równań Einsteina, które uogólniało wynik Schwarzschilda na przypadek obracających się ciał. Okazało się, że ruch obrotowy wcale nie „naprawia” zdeformowanej czasoprzestrzeni. Rozwiązanie Kerra, podobnie jak to otrzymane przez Schwarzschilda, także zawiera tzw. horyzont zdarzeń, spoza którego nie da się wrócić. Kropkę nad „i” postawili kilka lat później Roger Penrose i Stephen Hawking, którzy za pomocą pomysłowych, potężnych narzędzi matematycznych wykazali, iż tworzenie się czarnych dziur – jak zaczęto wtedy nazywać te obiekty – nie wymaga wcale takich silnych założeń, jakie w swoim modelu przyjęli Oppenheimer i Volkoff. Na mocy tzw. twierdzeń Penrose’a-Hawkinga o osobliwościach, powstawanie czarnych dziur w wyniku zapadania się ciężkich gwiazd musi być we Wszechświecie czymś powszechnym. Teraz więc pozostawało je tylko zaobserwować. Tylko jak dostrzec coś, co nie świeci i jest zbudowane z czystej grawitacji?

Jedną z możliwości jest przyglądanie się zachowaniu ciał niebieskich w pobliżu domniemanej czarnej dziury. W latach 90. stwierdzono na przykład, że gwiazdy w samym środku naszej Galaktyki poruszają się po tak ciasnych orbitach, że musi za to odpowiadać obiekt o masie ponad 4 milionów mas Słońca, który jednocześnie pozostaje niewidzialny dla teleskopów. Za pierwszy bezpośredni dowód istnienia czarnych dziur uznaje się jednak dopiero detekcję fal grawitacyjnych dokonaną w roku 2015. Bliźniacze amerykańskie interferometry LIGO zarejestrowały wtedy sygnał, którego charakterystyka idealnie odpowiadała „zmarszczkom czasoprzestrzeni” wyemitowanym przez dwie zlewające się czarne dziury na drugim końcu Wszechświata.

Temu spektakularnemu odkryciu także towarzyszyło zaskoczenie – sygnał dotarł do detektorów ledwie kilka minut po ich uruchomieniu. Był przy tym tak wyraźny i tak „podręcznikowy”, iż uczeni podejrzewali, że jest sztuczny. Sądzili, że to tylko kolejne niezapowiedziane testowanie algorytmów i procedur. Dopiero po kilku godzinach stało się jasne, że wcale nie były to ćwiczenia i że właśnie za jednym zamachem potwierdzili istnienie zarówno fal grawitacyjnych, jak i czarnych dziur – dwóch przewidywań równań Einsteina, w które nie wierzył sam ich autor.

Ostatnie zdziwienie w dotychczasowej, ponadstuletniej historii czarnych dziur odczuł chyba każdy, kto ujrzał obraz cienia czarnej dziury uzyskany przez tzw. Teleskop Horyzontu Zdarzeń, czyli globalną sieć ośmiu radioteleskopów, działających jak jeden, planetarnych rozmiarów instrument. Niepozorny, pokolorowany na pomarańczowo pierścień, który w kwietniu minionego roku obiegł światowe media, znajduje się w centrum galaktyki M87 położonej w gwiazdozbiorze Panny ok. 52 miliony lat świetlnych od Ziemi. Wszystkie detale tego obrazu, takie jak fakt, iż dolna połowa pierścienia jest jaśniejsza niż górna, a także nieznaczne spłaszczenie prawej dolnej krawędzi cienia, zgadzają się doskonale z modelem wirującej czarnej dziury Kerra o masie 6-7 miliardów mas Słońca, otoczonej dyskiem rozgrzanego gazu i zakrzywiającej emitowane przezeń światło.

Najbliższe przyszłość zapewne przyniesie nowe odkrycia. Nasłuch na falach grawitacyjnych prowadzą już nie dwa, a cztery interferometry (do amerykańskich LIGO dołączyły europejski Virgo i japoński KAGRA). Z kolei do Teleskopu Horyzontu Zdarzeń wcielono trzy kolejne radioteleskopy. Jesteśmy gotowi na następne kosmiczne zdziwienie.

 

 

Źródło: RMF24
0 0 vote
Article Rating