Czarne dziury to jedne z najbardziej niezwykłych obiektów we Wszechświecie. Mogą uwięzić światło jedynie za pomocą siły grawitacji. Naukowcy wierzą, że czarne dziury powstają, gdy pozostałości masywnych gwiazd zapadają się, stając się tak gęste, że zakrzywiają tkankę czasu i przestrzeni.
Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki lub astronomii powędrowała do trójki uczonych: sir Rogera Penrose’a, Reinharda Genzela i Andreę Ghez za badania dotyczące czarnych dziur. Ten pierwszy wykazał matematycznie, że istnienie tych obiektów jest konsekwencją ogólnej teorii względności, podczas gdy Genzel i Ghez odkryli w latach 90. ubiegłego wieku supermasywną czarną dziurę w centrum Drogi Mlecznej. Z tej okazji warto przyjrzeć się lepiej czarnym dziurom – poznajcie 7 ciekawostek o tych obiektach.
Czy da się bezpośrednio dostrzec czarną dziurę?
Ponieważ czarna dziura jest rzeczywiście „czarna” (żadne światło się z niej nie wydostaje i nie odbija), nie jesteśmy w stanie dostrzec tego typu obiektu za pomocą istniejących instrumentów, bez względu na to, jakim rodzajem promieniowania elektromagnetycznego operują. W badaniach czarnych dziur, kluczowe jest przyjrzenie się efektom ich działania na otoczenie. Gdy „zbłąkana” gwiazda znajdzie się zbyt blisko czarnej dziury, ta zaczyna ją rozrywać, wysysając jej materię. Można to obserwować w zakresie promieni X.
Kto odkrył czarne dziury?
Zwykło się uważać, że skoro Albert Einstein sformułował ogólną teorię względności, jest też odkrywcą czarnych dziur. Nic bardziej mylnego. Mimo iż austriacki uczony przewidział teoretycznie istnienie tych obiektów, to Karl Schwarzschild jako pierwszy użył równań Einsteina i pokazał, że obiekty te mogą się tworzyć. Udało mu się to w 1915 r., czyli dokładnie wtedy, gdy została opublikowana ogólna teoria względności. Z badań Schwarzschilda powstał termin promienia Schwarzschilda – jest to miara tego, jak bardzo należałoby skompresować dowolny obiekt, aby stworzyć czarną dziurę.
W centrum czarnej dziury jest osobliwość
W centrum każdej czarnej dziury jest osobliwość. Jest to nieskończenie mały punkt o nieskończenie dużej masie. Tutaj siła grawitacji jest tak silna, że czasoprzestrzeń otaczająca osobliwość jest wyginana do nieskończonej krzywizny. W tej wypowiedzi wielokrotnie pojawia się słowo „nieskończenie”, co jest sprzeczne z logiką. Naukowcy starają się opracować teorię kwantowej grawitacji, aby wyjaśnić, co dzieje się wewnątrz tych niesamowicie gęstych obiektów. Dobrze nazwał to słynny amerykański fizyk teoretyczny, Kip Thorne, który opisał osobliwość jako „punkt, w którym łamane są wszystkie prawa fizyki”.
Czarne dziury mogą być źródłem nowych światów
Może to zabrzmieć dziwacznie, ale czarne dziury mogą tworzyć nowe wszechświaty – zwłaszcza, że nie jesteśmy pewni, czy wszechświaty równoległe faktycznie istnieją. Teoretycznie jest to jednak możliwe. Osobliwość w centrum czarnych dziur łamie wszystkie znane prawa fizyki i teoretycznie może być źródłem nowego, zupełnie innego świata. Mogą w nim obowiązywać inne prawa od tych, które znamy.
Czarne dziury to gigantyczne fabryki energii
Czarne dziury mogą generować więcej energii niż Słońce. Sposób, w jaki to działa, ma związek z dyskiem materii otaczającym każdą czarną dziurę – tzw. dyskiem akrecyjnym. Materia, która znajduje się najbliżej krawędzi horyzontu zdarzeń, będzie orbitować znacznie szybciej niż materia na zewnętrznej krawędzi tarczy. Dzieje się tak dlatego, że siła grawitacji jest silniejsza w pobliżu horyzontu zdarzeń. Ponieważ dysk akrecyjny porusza się bardzo szybko, nagrzewa się do miliardów stopni Celsjusza i ma zdolność przekształcania materii w energię w formie zwanej promieniowaniem ciała doskonale czarnego. Dla porównania – procesy zachodzące we wnętrzu Słońca przekształcają ok. 0,7% masy w energię. Wokół czarnej dziury aż 10% masy zamienia się w energię – to spora różnica.
Czy czarne dziury spowalniają czas?
Czarne dziury spowalniają czas, podobnie jak było to w filmie „Interstellar”. Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, warto rozważyć eksperyment z bliźniakami w roli głównej, który często jest używany do wyjaśnienia, jak czas i przestrzeń oddziałują w ogólnej teorii względności. Jeden z bliźniaków zostaje na Ziemi, podczas gdy drugi z nich porusza się z prędkością światła. Kiedy ten drugi zdecyduje się wrócić do domu, będzie znacznie młodszy, ponieważ im szybciej się poruszał, tym wolniej biegł czas dla niego. Osiągając horyzont zdarzeń, siła grawitacji czarnej dziury jest tak duża, że spowalnia czas.
Teoretycznie wszystko może stać się czarną dziurą
Jedyna różnica między Słońcem a czarną dziurą jest taki, że centrum czarnej dziury wykonane jest z niezwykle gęstej materii nadającej jej silne pole grawitacyjne. To właśnie oni jest w stanie uwięzić wewnątrz wszystko – także światło. Teoretycznie wszystko można zamienić w czarną dziurę. Jeżeli np. skurczylibyśmy Słońce do obiektu o zaledwie 6 km średnicy i skompresowalibyśmy całą jego masę do niewiarygodnie małej przestrzeni, stworzylibyśmy czarną dziurę. Tę samą teorię można by zastosować do Ziemi lub naszych ciał. W rzeczywistości znamy tylko jeden sposób, by wytworzyć czarną dziurę: poprzez grawitacyjną zapaść niezwykle masywnej gwiazdy, która jest 20-30 razy masywniejsza od Słońca.
