Czarne dziury są prawdopodobnie najbardziej tajemniczymi obiektami we wszechświecie. Chyba że gdzieś w głębinach kryją się rzeczy, których istnienia nie wiemy i nie możemy wiedzieć, co jest mało prawdopodobne. Czarne dziury to kolosalna masa i gęstość, ściśnięte w jednym punkcie o małym promieniu. Fizyczne właściwości tych obiektów są tak dziwne, że stanowią zagadkę dla najbardziej wyrafinowanych fizyków i astrofizyków. Sabine Hossfender, fizyk teoretyczny, zebrała dziesięć faktów na temat czarnych dziur, o których każdy powinien wiedzieć.
Co to jest czarna dziura?
Cechą definiującą czarną dziurę jest jej horyzont. To jest granica, poza którą nic, nawet światło, nie może wrócić. Jeśli odłączony obszar zostanie odłączony na zawsze, mówimy o „horyzoncie zdarzeń”. Jeśli jest tylko tymczasowo oddzielony, mówimy o „widzialnym horyzoncie”. Ale to „tymczasowe” może również oznaczać, że region zostanie oddzielony na znacznie dłużej niż obecny wiek wszechświata. Jeśli horyzont czarnej dziury jest tymczasowy, ale długotrwały, różnica między pierwszym a drugim jest niewyraźna.
Jak duże są czarne dziury?
Możesz wyobrazić sobie horyzont czarnej dziury jako kulę, a jej średnica będzie wprost proporcjonalna do masy czarnej dziury. Dlatego im więcej masy wpada do czarnej dziury, tym większa staje się czarna dziura. Jednak w porównaniu z obiektami gwiazdowymi czarne dziury są maleńkie, ponieważ masa jest kompresowana do bardzo małych objętości pod wpływem nieodpartego ciśnienia grawitacyjnego. Na przykład promień czarnej dziury z masą planety Ziemi wynosi tylko kilka milimetrów. Jest to 10 000 000 000 razy mniej niż obecny promień Ziemi.
Film promocyjny:
Promień czarnej dziury nazywany jest promieniem Schwarzschilda od nazwiska Karla Schwarzschilda, który jako pierwszy wydedukował czarne dziury jako rozwiązanie ogólnej teorii względności Einsteina.
Co się dzieje na horyzoncie?
Kiedy przekraczasz horyzont, wokół ciebie nie dzieje się nic specjalnego. Wszystko z powodu zasady równoważności Einsteina, z której wynika, że nie można znaleźć różnicy między przyspieszeniem w płaskiej przestrzeni a polem grawitacyjnym, które tworzy krzywiznę przestrzeni. Jednak obserwator z dala od czarnej dziury, który patrzy, jak ktoś inny wpada w nią, zauważy, że osoba ta będzie poruszać się coraz wolniej, gdy zbliży się do horyzontu. To tak, jakby czas płynął wolniej w pobliżu horyzontu zdarzeń, niż oddalał się od niego. Jednak minie trochę czasu, a obserwator wpadający w dziurę przekroczy horyzont zdarzeń i znajdzie się w promieniu Schwarzschilda.
To, czego doświadczasz na horyzoncie, zależy od sił pływowych pola grawitacyjnego. Siły pływowe na horyzoncie są odwrotnie proporcjonalne do kwadratu masy czarnej dziury. Oznacza to, że im większa i masywniejsza czarna dziura, tym mniejsza siła. A jeśli tylko czarna dziura jest wystarczająco masywna, możesz przekroczyć horyzont, zanim jeszcze zauważysz, że coś się dzieje. Efekt tych sił pływowych cię rozciągnie: technicznym terminem używanym do tego przez fizyków jest spaghetti.
We wczesnych dniach ogólnej teorii względności wierzono, że na horyzoncie znajduje się osobliwość, ale okazało się, że tak nie jest.
Co znajduje się w czarnej dziurze?
Nikt nie wie tego na pewno, ale na pewno nie regał. Ogólna teoria względności przewiduje, że w czarnej dziurze istnieje osobliwość, w miejscu, w którym siły pływowe stają się nieskończenie duże, a gdy przekroczysz horyzont zdarzeń, nie możesz udać się nigdzie indziej, jak tylko w osobliwość. W związku z tym lepiej nie używać ogólnej teorii względności w tych miejscach - po prostu nie działa. Aby powiedzieć, co dzieje się wewnątrz czarnej dziury, potrzebujemy teorii grawitacji kwantowej. Powszechnie przyjmuje się, że teoria ta zastąpi osobliwość czymś innym.
Jak powstają czarne dziury?
Obecnie znamy cztery różne sposoby formowania się czarnych dziur. Najlepiej rozumiany jest związany z zapadnięciem się gwiazd. Wystarczająco duża gwiazda tworzy czarną dziurę po zatrzymaniu fuzji jądrowej, ponieważ wszystko, co można już było zsyntetyzować, zostało zsyntetyzowane. Kiedy ciśnienie wytworzone przez fuzję ustaje, materia zaczyna opadać w kierunku własnego centrum grawitacji, stając się coraz bardziej gęsta. W końcu staje się tak gęsty, że nic nie jest w stanie przezwyciężyć grawitacyjnego efektu na powierzchni gwiazdy: tak rodzi się czarna dziura. Te czarne dziury nazywane są „czarnymi dziurami o masie słonecznej” i są najbardziej powszechne.
Kolejnym popularnym typem czarnej dziury jest „supermasywna czarna dziura”, którą można znaleźć w centrach wielu galaktyk i która ma masę około miliarda razy większą niż słoneczna czarna dziura. Nie wiadomo jeszcze dokładnie, jak powstają. Uważa się, że kiedyś zaczęły się jako czarne dziury o masie słonecznej, które w gęsto zaludnionych centrach galaktycznych pochłaniały wiele innych gwiazd i rosły. Wydaje się jednak, że absorbują materię szybciej, niż sugeruje to prosty pomysł, a to, jak dokładnie to robią, jest nadal przedmiotem badań.
Bardziej kontrowersyjnym pomysłem były pierwotne czarne dziury, które mogły zostać utworzone przez prawie każdą masę przy dużych fluktuacjach gęstości we wczesnym Wszechświecie. Chociaż jest to możliwe, trudno jest znaleźć model, który je produkuje bez ich nadprodukcji.
Wreszcie istnieje bardzo spekulatywny pomysł, że małe czarne dziury o masach zbliżonych do masy bozonu Higgsa mogą powstawać w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Działa to tylko wtedy, gdy nasz wszechświat ma dodatkowe wymiary. Jak dotąd nie ma potwierdzenia na rzecz tej teorii.
Skąd wiemy, że istnieją czarne dziury?
Mamy wiele dowodów obserwacyjnych na zwarte obiekty o dużych masach, które nie emitują światła. Obiekty te oddają się w wyniku przyciągania grawitacyjnego, na przykład w wyniku ruchu innych gwiazd lub chmur gazu wokół nich. Tworzą również soczewkowanie grawitacyjne. Wiemy, że te obiekty nie mają twardej powierzchni. Wynika to z obserwacji, ponieważ materia spadająca na obiekt o powierzchni powinna spowodować uwolnienie większej liczby cząstek niż materii spadającej przez horyzont.
Dlaczego Hawking powiedział w zeszłym roku, że czarne dziury nie istnieją?
Miał na myśli, że czarne dziury nie mają wiecznego horyzontu zdarzeń, a jedynie tymczasowy pozorny horyzont (patrz akapit pierwszy). W ścisłym sensie jedynie horyzont zdarzeń jest uważany za czarną dziurę.
W jaki sposób czarne dziury emitują promieniowanie?
Czarne dziury emitują promieniowanie w wyniku efektów kwantowych. Należy zauważyć, że są to kwantowe efekty materii, a nie kwantowe efekty grawitacji. Dynamiczna czasoprzestrzeń zapadającej się czarnej dziury zmienia samą definicję cząstki. Podobnie jak upływ czasu, który jest zniekształcony w pobliżu czarnej dziury, pojęcie cząstek jest zbyt zależne od obserwatora. W szczególności, gdy obserwator wpadający do czarnej dziury myśli, że wpada w próżnię, obserwator z dala od czarnej dziury myśli, że nie jest to próżnia, ale przestrzeń pełna cząstek. To rozciąganie czasoprzestrzeni powoduje ten efekt.
Po raz pierwszy odkryte przez Stephena Hawkinga, promieniowanie emitowane przez czarną dziurę nazywa się promieniowaniem Hawkinga. Promieniowanie to ma temperaturę odwrotnie proporcjonalną do masy czarnej dziury: im mniejsza czarna dziura, tym wyższa temperatura. Gwiezdne i supermasywne czarne dziury, które znamy, mają temperatury znacznie niższe od temperatury tła mikrofalowego i dlatego nie są obserwowane.
Co to jest paradoks informacyjny?
Paradoks utraty informacji jest spowodowany promieniowaniem Hawkinga. Promieniowanie to jest czysto termiczne, to znaczy ma przypadkową temperaturę i określone właściwości. Samo promieniowanie nie zawiera żadnych informacji o tym, jak powstała czarna dziura. Ale kiedy czarna dziura emituje promieniowanie, traci masę i kurczy się. Wszystko to jest całkowicie niezależne od substancji, która stała się częścią czarnej dziury lub z której została utworzona. Okazuje się, że znając tylko końcowy stan parowania, nie można powiedzieć, z czego powstała czarna dziura. Ten proces jest „nieodwracalny” - a haczyk polega na tym, że w mechanice kwantowej takiego procesu nie ma.
Okazuje się, że parowanie czarnej dziury jest niezgodne ze znaną nam teorią kwantową i trzeba coś z tym zrobić. Jakoś wyeliminuj niespójność. Większość fizyków uważa, że rozwiązaniem jest to, że promieniowanie Hawkinga musi w jakiś sposób zawierać informacje.
Co sugeruje Hawking, aby rozwiązać paradoks informacji o czarnych dziurach?
Chodzi o to, że czarne dziury muszą mieć sposób na przechowywanie informacji, które nie zostały jeszcze zaakceptowane. Informacje są przechowywane na horyzoncie czarnej dziury i mogą powodować niewielkie przemieszczenia cząstek w promieniowaniu Hawkinga. W tych niewielkich przemieszczeniach mogą znajdować się informacje o uwięzionej materii. Dokładne szczegóły tego procesu są obecnie niejasne. Naukowcy oczekują na bardziej szczegółowy artykuł techniczny autorstwa Stephena Hawkinga, Malcolma Perry'ego i Andrew Stromingera. Mówią, że pojawi się pod koniec września.
W tej chwili mamy pewność, że czarne dziury istnieją, wiemy, gdzie się znajdują, jak powstają i czym ostatecznie się staną. Ale szczegóły dotyczące tego, gdzie docierają do nich informacje, nadal stanowią jedną z największych tajemnic wszechświata.
Ilya Khel