Wyobraźcie sobie reakcję przeciętnej osoby, zapytanej o opinię na temat wytwarzania czarnej dziury w genewskim ośrodku CERN. Zakładając, że taki człowiek ma jako takie pojęcie na temat tego czym jest czarna dziura, raczej trudno oczekiwać aprobaty. Czy rzeczywiście powinniśmy się obawiać?

Przecież dziury powstają z gwiazd

Każdej osobie zain­te­re­so­wa­nej kosmosem, czarne dziury będą się koja­rzyły przede wszyst­kim ze śmiercią gwiazd. I jest to sko­ja­rze­nie jak naj­bar­dziej słuszne. Czarne dziury powstają w sposób natu­ralny, będąc końcowym efektem ewolucji naj­więk­szych gwiazd, posia­da­ją­cych masę przy­naj­mniej kilku Słońc.

Gdy taki olbrzym umiera, procesy ter­mo­ją­drowe bijące z jego serca prze­stają rów­no­wa­żyć ścisk z zewnątrz i gra­wi­ta­cja zwycięża. Nie­wy­obra­żalna ilość materii, w sposób natu­ralny, zostaje ści­śnięta na obszarze tak małym, że poja­wiają się efekty z jakimi nie mamy do czy­nie­nia na Ziemi. Natura naj­de­li­kat­niej obchodzi się z gwiaz­dami lekkimi, których zgnia­ta­nie powinno zostać zaha­mo­wane przez siły dzia­ła­jące między elek­tro­nami — w ten sposób powstaje biały karzeł. Gwiazdy półtora razy masyw­niej­sze od Słońca również sobie jakoś radzą — opór gra­wi­ta­cyj­nemu ciśnie­niu stawiają neutrony, rodząc gwiazdę neu­tro­nową.

Tacy badacze jak Schwarz­schild, Chan­dra­se­khar czy Oppen­he­imer, już przed II wojną światową zdawali sobie sprawę z tego, że równania Ein­ste­ina dopusz­czają moż­li­wość ist­nie­nia obiektów, dla których nie ma ratunku. Gra­wi­ta­cja gwiazd wie­lo­krot­nie więk­szych od Słońca jest na tyle duża, że żadna siła, ani żadne prawo przyrody nie będzie w stanie zatrzy­mać jej dzia­ła­nia. Fizycy mówią o prze­kro­cze­niu granicy Schwarz­schilda — ciało próbuje się kurczyć bez umiaru, zapaść do punktu o nie­skoń­cze­nie wielkiej gęstości.

To jak powstaje czarna dziura?

Pierwsi teo­re­tycy czarnych dziur skupiali się głównie na gwiaz­dach i nie ma w tym nic dziwnego. Tylko życiu gwiazd, i to tych naj­więk­szych, towa­rzy­szą procesy umoż­li­wia­jące natu­ralne zejście poniżej pro­mie­nia Schwarz­schilda. Ale czy, choćby na papierze, nie możemy założyć powsta­nia czarnej dziury w wyniku zapad­nię­cia innego ciała? To istotne, bo naukowcy pragnący roz­po­cząć “pro­duk­cję” czarnej dziury na Ziemi, raczej nie będą dys­po­no­wać pod­ręcz­nymi gwiaz­dami.

Teo­re­tycz­nie nie ma tu żadnych prze­ciw­wska­zań. Zasad­ni­czo każdy obiekt może ulec zapad­nię­ciu w samym sobie, jeżeli tylko prze­kro­czy punkt kry­tyczny, a ten jest ściśle związany z masą — im mniejsza masa tym bardziej musimy zmiaż­dżyć ciało. W takim razie, czy nie­wielka w kosmicz­nej skali Ziemia może prze­kształ­cić się w czarną dziurę? Oczy­wi­ście — wystar­czy­łoby ścisnąć naszą planetę do roz­mia­rów piłeczki golfowej. A nie­sym­pa­tyczny sąsiad? Powinno się udać, jeżeli tylko znaj­dziemy sposób na zgnie­ce­nie całej materii jego ciała do rozmiaru jądra ato­mo­wego lub mniej­szej. Kłopot polega jedynie na tym, że oddzia­ły­wa­nie gra­wi­ta­cyjne małych obiektów nie zaini­cjuje spon­ta­nicz­nego zapa­da­nia i konieczna byłaby pomoc z zewnątrz. 

Czy czarna dziura na Ziemi to zły pomysł?

Takiej pomocy, naukowcy chcą udzielać poje­dyn­czym cząstkom, dając początek bardzo, bardzo malutkim czarnym dziurom. Fizycy ciągle mają nadzieje, iż takie eks­pe­ry­menty dojdą do skutku w Wielkim Zder­za­czu Hadronów, po osią­gnię­ciu przezeń mocy 14 TeV. Tak roz­pę­dzone protony zde­rzy­łyby się na tyle mocno aby zbliżyć się na odle­głość mniejszą niż promień Schwarz­schilda. Nie­któ­rzy naukowcy pra­cu­jący w CERN, utrzy­mują że mikro­dziury mogły już powstać, ale… detek­tory nie zdążyły ich zare­je­stro­wać!

Dziura wyparuje

Przyj­mijmy jednak, że LHC na razie żadnej czarnej dziury nie wytwo­rzyło i powróćmy do pier­wot­nego pytania. Czy jest się czego obawiać?

W latach 70. młody Stephen Hawking zadziwił świat wysu­wa­jąc teorię paro­wa­nia i powol­nego zani­ka­nia czarnych dziur. Bry­tyj­czyk oparł swoje twier­dze­nie na fakcie wystę­po­wa­nia w prze­strzeni fluk­tu­acji kwan­to­wych. Nawet w naj­czyst­szej próżni, samo­ist­nie powstają pary cząstka-anty­cząstka, które bły­ska­wicz­nie ulegają ani­hi­la­cji nie pozo­sta­wia­jąc po sobie śladu. Może się jednak zdarzyć, że para cząstek wir­tu­al­nych powsta­nie na granicy hory­zontu zdarzeń — zewnętrz­nej sfery czarnej dziury. Hawking założył, że gdy jedna z nich zostanie natych­miast wcią­gnięta to druga odfrunie w prze­strzeń, już jako rze­czy­wi­sta cząstka i do ani­hi­la­cji nie dojdzie. Jed­no­cze­śnie, umy­ka­jące znad hory­zontu cząstki pobie­rają z czarnej dziury energię przy­czy­nia­jąc się do jej kur­cze­nia. Właśnie ten efekt znamy obecnie pod nazwą pro­mie­nio­wa­nia Hawkinga. 

Dla nas istotne jest to, że im mniejsza dziura tym gorzej “znosi” paro­wa­nie. Zwykła czarna dziura, powstała w wyniku śmierci gwiazdy, będzie topnieć znacznie dłużej niż istnieje obecny wszech­świat, i to przy zało­że­niu, że nie posili się nową materią. Oznacza to tyle, że nawet po wypa­le­niu wszyst­kich ogniw energii w kosmosie, jeszcze przez długie biliony lat prze­strzeń będzie wypeł­niać blade pro­mie­nio­wa­nie Hawkinga.

Schemat promieniowania Hawkinga

Im mniejsza czarna dziura, tym mocniej paruje. Gdyby czarna dziura posia­dała masę rzędu kilku tysięcy ton — a to bardzo niewiele dla takiego obiektu — nad hory­zon­tem zdarzeń można by odno­to­wać tem­pe­ra­turę miliar­dów stopni, a sam obiekt znik­nąłby w mgnieniu oka. Uczeni prze­ko­nują, że mikro­sko­pijna dziura możliwa do stwo­rze­nia w akce­le­ra­to­rze, powinna wypa­ro­wać w trudnym do wyobra­że­nia czasie jednej kwa­dry­liar­do­wej części sekundy. Stąd też wynika ogromny trud uchwy­ce­nia ewen­tu­al­nej mikro­dziury przez detek­tory. Z drugiej jednak strony, część fizyków twierdzi, iż taki obiekt wypa­ro­wałby przy tem­pe­ra­tu­rze rzędu sep­ty­lio­nów stopni — a coś takiego trudno prze­oczyć, nawet w skali sub­a­to­mo­wej.

Przepis na koniec świata

Śro­do­wi­sko naukowe z pełnym zaufa­niem przyj­muje teorię Hawkinga i poza rzadkimi wyjąt­kami, z nie­cier­pli­wo­ścią wycze­kuje pierw­szych badań nad mikro­dziu­rami. Niskie ciśnie­nie panujące wewnątrz tunelu LHC ma zapewnić brak materii, która mogłaby zasilić ewen­tu­alną dziurę. A nawet gdyby potworek zerwał się z magne­tycz­nego łańcucha, zgodnie z obli­cze­niami nie zdążyłby niczego wciągnąć. Pra­cu­jący w CERN Steve Giddings i Miche­an­gelo Mangano, wzięli również pod uwagę sce­na­riusz, w którym mikro­dziura nie uległaby roz­pa­dowi. Według nich obiekt — pro­por­cjo­nal­nie do swojego rozmiaru — pobie­rałby materię z oto­cze­nia bardzo powoli, a spusz­czony ze “smyczy” niczym neutrino mógłby po prostu prze­le­cieć bez szwanku przez całą planetę i spo­koj­nie pod­ry­fo­wać w prze­strzeń kosmiczną.

Entu­zja­ści pod­pie­rają się również hipotezą natu­ral­nego powsta­wa­nia mikro­dziur w ziem­skiej atmos­fe­rze. Teoria zakłada, że cząstki pro­mie­nio­wa­nia kosmicz­nego z ogromną energią zderzają się z materią powie­trza co od czasu do czasu, owocuje naro­dzi­nami maleń­kiej czarnej dziury. Oczy­wi­ście takiej, która niemal natych­miast znika. Jeżeli do takiego zda­rze­nia doszło chociaż raz, a Ziemia nadal ma się dobrze, to badania pro­wa­dzone w LHC tym bardziej w niczym nam nie zagra­żają, jeśli zaś mikro­dziury nie powstały nigdy w sposób natu­ralny — to praw­do­po­dob­nie nam sztucz­nie tym bardziej nie uda się ich wypro­du­ko­wać. W obu przy­pad­kach, nie ma się czego obawiać.

Jeśli to kogoś przekona, powstała nawet strona inter­ne­towa w krótki sposób odpo­wia­da­jąca na pytanie: Has the Large Hadron Collider destroyed the world yet?

Literatura uzupełniająca
L. Randall, Pukając do Nieba Bram. Jak fizyka pomaga zrozumieć wszechświat, Warszawa 2013;
S. Hawking, Teoria wszystkiego, czyli krótka historia wszechświata, Poznań 2004;
I. Nowikow, Czarne Dziury i Wszechświat, Warszawa 1995;
A. Szozda, Mamy małe czarne dziurki, [online: http://www.polskieradio.pl/23/266/Artykul/187879,Mamy-male-czarne-dziurki].