Czarna Dziura – upiorna otchłań do innych Wszechświatów?

Cygnus X‑1 (Łabędź X‑1) – błę­kit­ny nad­ol­brzym i Czar­na Dziu­ra, któ­ra go pochła­nia (wizja artystyczna).

Czy cie­ka­wi Was, co by się sta­ło, gdy­by­ście wpa­dli do Czar­nej Dziu­ry? Jeże­li myśli­cie, że cze­ka­ła­by was „tyl­ko” śmierć, to jeste­ście w błę­dzie. Spo­tkał­by was o wie­le dziw­niej­szy los.

Czar­na Dziu­ra to obszar cza­so­prze­strze­ni, któ­re­go, z uwa­gi na wpływ gra­wi­ta­cji, nic nie może opu­ścić. Nazy­wa się ją „czar­ną”, ponie­waż cał­ko­wi­cie pochła­nia wszyst­ko, co znaj­du­je się w jej oto­cze­niu, nawet świa­tło, a poza tym dla­te­go, że pra­wie zupeł­nie nic o niej nie wie­my. Jej gra­ni­cą jest hory­zont zda­rzeń – mate­ma­tycz­nie zde­fi­nio­wa­na powierzch­nia, pro­mień Schwarz­schil­da, któ­ra wyzna­cza gra­ni­cę bez powrotu.

Zgod­nie z Ogól­ną Teo­rią Względ­no­ści Alber­ta Ein­ste­ina, do powsta­nia Czar­nej Dziu­ry nie­zbęd­ne jest nagro­ma­dze­nie dosta­tecz­nie wiel­kiej masy w odpo­wied­nio małej (oczy­wi­ście w ska­li kosmo­su) obję­to­ści. Na przy­kład: żeby Zie­mia sta­ła się Czar­ną Dziu­rą jej pro­mień powi­nien być mniej­szy niż 1 cm (tak jak na gra­fi­ce obok), zaś Słoń­ce musia­ło­by mieć nie­co mniej­szy niż 3 km.

Osobliwość

Ogól­na Teo­ria Względ­no­ści prze­wi­du­je ist­nie­nie we wnę­trzu Czar­nej Dziu­ry oso­bli­wo­ści. Jest to miej­sce, gdzie krzy­wi­zna cza­so­prze­strze­ni sta­je się nie­skoń­czo­na, a oddzia­ły­wa­nie gra­wi­ta­cyj­ne sta­je się nie­skoń­cze­nie sil­ne (Roger Pen­ro­se oraz Ste­phen Haw­king) 1O, i tu wła­śnie mamy przy­kład jak nie­wie­le wie­my o Czar­nej Dziu­rze: bada­cze uży­wa­ją nie­nau­ko­wych, nie­we­ry­fi­ko­wal­nych doświad­czal­nie w świe­cie real­nym okre­śleń „nie­skoń­czo­no­ści”..

Zna­ne są mówią­ce o tym ści­słe dowo­dy mate­ma­tycz­ne i dotych­czas nie uda­ło się wyeli­mi­no­wać oso­bli­wo­ści z roz­wią­zań teo­rii w obec­nym jej kształ­cie. W szcze­gól­no­ści samo jej ist­nie­nie jest nie­za­leż­ne od defi­ni­cji ukła­du odnie­sie­nia uży­wa­ne­go do opi­su Czar­nej Dziu­ry. Przy­pusz­cza się, że poszu­ki­wa­na od lat kwan­to­wa teo­ria gra­wi­ta­cji roz­wią­że ten problem.

War­to nad­mie­nić, że hory­zont zda­rzeń nie jest żad­ną oso­bli­wo­ścią i przej­ście przez ową barie­rę nie jest zwią­za­ne z jaki­mi­kol­wiek szcze­gól­ny­mi zja­wi­ska­mi fizycz­ny­mi. Roz­wią­za­nie Kar­la Schwarz­schil­da co praw­da posia­da nie­cią­głość na gra­ni­cy hory­zon­tu, jest ona jed­nak usu­wal­na przez odpo­wied­ni wybór ukła­du odnie­sie­nia. Współ­cze­sna nauka nie potra­fi opi­sać zja­wisk fizycz­nych zacho­dzą­cych w oso­bli­wo­ści. W nowych teo­riach przy­pusz­cza się, że może to być dro­ga do innych wszechświatów.

Drzwi wyj­ścio­we ze Wszech­świa­ta lub też mon­stru­al­ne odku­rza­cze, wchła­nia­ją­ce wszyst­ko, co się do nich zbli­ży – tak mniej wię­cej mówi się o Czar­nych Dziurach.

Anihilacja informacji

Ist­nie­ją teo­rie, według któ­rych przej­ście obiek­tu przez hory­zont zda­rzeń zwią­za­ne jest z cał­ko­wi­tym znik­nię­ciem zawar­tej w tym obiek­cie infor­ma­cji. Z mate­ma­tycz­ne­go punk­tu widze­nia fakt ten spro­wa­dza się do stwier­dze­nia, że do opi­su Czar­nej Dziu­ry wystar­czy podać jej masę, ładu­nek oraz moment pędu. Dla poszcze­gól­nych kom­bi­na­cji tych trzech war­to­ści sfor­mu­ło­wa­no nastę­pu­ją­ce roz­wią­za­nia rów­nań opi­su­ją­cych ją:

• Schwarz­schil­da – tyl­ko masa niezerowa,
• Reis­sne­ra-Nord­ströma – ładu­nek, masa nie­ze­ro­wa, brak momen­tu pędu,
• Ker­ra – masa i moment pędu nie­ze­ro­wy, brak ładunku,
• Ker­ra-New­man­na – ładu­nek, masa, moment pędu niezerowe.

Prze­strzeń wpa­da w Czar­ną Dziu­rę Schwarz­schil­da. Model ten ma solid­ne pod­sta­wy mate­ma­tycz­ne, po raz pierw­szy odkry­te w 1921 roku przez lau­re­ata nagro­dy Nobla Allva­ra Gul­l­stran­da, i nie­za­leż­nie przez fran­cu­skie­go mate­ma­ty­ka i poli­ty­ka Pau­la Pain­le­vé’a, któ­ry (co cie­ka­we) dwu­krot­nie był pre­mie­rem Fran­cji – w 1917 r. i ponow­nie w 1925 roku.

Histo­rycz­ne inte­re­su­ją­cym fak­tem jest, że mate­ma­ty­ka Czar­nych Dziur była rozu­mia­na i roz­po­zna­na na dłu­go przed bada­nia­mi fizyków.

Albert Ein­ste­in jed­nak nie rozu­miał, jak dzia­ła­ją Czar­ne Dziu­ry. Był prze­ko­na­ny, że według geo­me­trii Schwarz­schil­da oso­bli­wość znaj­du­je się na ich hory­zon­cie i że rejo­ny wewnątrz i zewnątrz hory­zon­tu sta­no­wią dwie odręb­ne cza­so­prze­strze­nie. To tzw. most Ein­ste­ina-Rose­na. Ein­ste­in i Rosen odkry­li, że połą­cze­nie mode­lu Czar­nej Dziu­ry z mode­lem Bia­łej Dziu­ry pro­wa­dzi do powsta­nia rodza­ju tune­lu w czasoprzestrzeni.

Pod­czas gdy w geo­me­trii Schwarz­schil­da prze­strzeń spa­da do oso­bli­wo­ści znaj­du­ją­cej się w cen­trum Czar­nej Dziu­ry z nie­ustan­nie rosną­cą pręd­ko­ścią, w geo­me­trii Reis­sne­ra - Nord­ströma spo­wal­nia, z powo­du odpy­cha­nia gra­wi­ta­cyj­ne­go, wytwa­rza­ne­go przez napię­cie lub ujem­ne ciśnie­nie pola elektrycznego.

HEJ! NO TO WPADAMY
DO CZARNEJ DZIURY

Hipo­te­tycz­na sytu­acja – wpa­da­cie do Czar­nej Dziu­ry. Oko­licz­no­ści pozo­staw­my na inną oka­zję, pyta­nie jest jed­no – co sta­nie się teraz?

Jeśli uwa­ża­cie, że cze­ka­ła­by was pew­na śmierć, czy to przez zmiaż­dże­nie, czy też roz­szar­pa­nie na kawał­ki, nie macie racji. To, co by was spo­tka­ło, było­by o wie­le dziwniejsze.

W chwi­li, w któ­rej zna­leź­li­by­ście się w Czar­nej Dziu­rze, wasza rze­czy­wi­stość roz­pa­dła­by się na dwie odręb­ne. W jed­nej natych­miast ule­gli­by­ście spa­le­niu, w dru­giej zanu­rzy­li­by­ście się w Czar­nej Dziu­rze bez szwan­ku.

Zgod­nie z Teo­rią Względ­no­ści gra­wi­ta­cja jest opi­sy­wa­na jako zakrzy­wie­nie cza­so­prze­strze­ni. W cza­so­prze­strze­ni zakrzy­wio­nej cia­ła poru­sza­ją się po torach, któ­re nazy­wa­my linia­mi geo­de­zyj­ny­mi. W skraj­nych przy­pad­kach oddzia­ły­wa­nie gra­wi­ta­cji może być jed­nak tak duże, że wszyst­kie linie geo­de­zyj­ne wokół dane­go cia­ła są linia­mi zamknię­ty­mi. Ozna­cza to, że żad­na z nich nie wycho­dzi poza pewien ogra­ni­czo­ny frag­ment obję­to­ści prze­strze­ni, zwa­ny hory­zon­tem zdarzeń.

Hory­zont zda­rzeń jest stre­fą, któ­ra ota­cza Czar­ną Dziu­rę. Sta­no­wi gra­ni­cę cza­so­prze­strze­ni, po któ­rej prze­kro­cze­niu pręd­kość uciecz­ki dla dowol­ne­go obiek­tu i fali prze­kra­cza pręd­kość świa­tła. I żaden obiekt, nawet świa­tło emi­to­wa­ne z wnę­trza hory­zon­tu, nie jest w sta­nie opu­ścić tego obsza­ru. Wszyst­ko, co prze­ni­ka przez hory­zont zda­rzeń od stro­ny obser­wa­to­ra, znika.

Według teo­rii Ste­phe­na Haw­kin­ga nazy­wa­nej Pro­mie­nio­wa­niem Haw­kin­ga, Czar­ne Dziu­ry mogą emi­to­wać pro­mie­nio­wa­nie dzię­ki pra­wom mecha­ni­ki kwan­to­wej. Zgod­nie z tą teo­rią po upły­wie pew­nej ilo­ści cza­su Czar­na Dziu­ra wypro­mie­niu­je swo­ją masę i znik­nie. Im dalej zagłę­bi­my się w nią, tym bar­dziej zakrzy­wia się prze­strzeń, aż w jej cen­trum sta­je się nie­skoń­cze­nie zakrzy­wio­na. Ta oso­bli­wość spra­wia, że czas i prze­strzeń prze­sta­ją być istot­ne, a zatem zna­ne nam pra­wa fizy­ki prze­sta­ją obowiązywać.

Co więc się tam znaj­du­je? Inny Wszech­świat? Nie­świa­do­mość? Tył lustra wenec­kie­go? Tego nie wie nikt.

Sagit­ta­rius A* (w skró­cie Sgr A*) to obiekt astro­no­micz­ny w cen­trum Dro­gi Mlecz­nej. Na pod­sta­wie badań gwiaz­dy S2 jest uwa­ża­ny przez astro­no­mów za super­ma­syw­ną Czar­ną Dziu­rę o masie oko­ło 4,31±0,06 milio­nów mas Słoń­ca (na zdję­ciu wyko­na­nym przez tele­skop Chan­dra widzi­my nie­zwy­kle jasny roz­błysk pro­mie­nio­wa­nia Rent­ge­now­skie­go). Bada­nia wska­zu­ją rów­nież, że Czar­na Dziu­ra zwięk­szy­ła swo­ją masę 2 do 4 razy w cią­gu ostat­nich 5–10 miliar­dów lat poprzez pochła­nia­nie pobli­skich gwiazd.

Największe znane Czarne Dziury

Ta super­re­ali­stycz­na podróż w głąb Czar­nej Dziu­ry to opar­ta na Ogól­nej Teo­rii Względ­no­ści magne­to-hydro­dy­na­micz­na symu­la­cja dys­ku akre­cyj­ne­go i dże­tów, wyko­na­na przez Joh­na Haw­leya na super­kom­pu­te­rze Uni­wer­sy­te­tu w Wir­gi­nii (USA).