Kategorie czarnych dziur

Portret rodzinny czarnych dziur

Czarne dziury przebyły niesamowitą drogę. Od matematycznej ciekawostki, przez wybryk Matki Natury, po pospolity składnik kosmicznego asortymentu, dostępny w każdym wieku i rozmiarze.

Idąc kory­ta­rzem mię­dzy­ga­lak­tycz­nego zoo, od czasu do czasu słyszysz dziwne dźwięki docho­dzące zza drzwi różnych jego mieszkańców.

Clifford A. Pickover

Jeszcze nie tak dawno o czarnych dziurach mówiono przede wszyst­kim w kon­tek­ście śmierci dużych gwiazd. Potem odkryto, że we wnę­trzach niemal wszyst­kich galaktyk zasia­dają monstra o masach liczo­nych w milio­nach lub nawet miliar­dach Słońc. Różnica pomiędzy obiema kate­go­riami była na tyle znacząca, że astro­fi­zycy spo­dzie­wali się odna­le­zie­nia jakiegoś “bra­ku­ją­cego ogniwa”. I rze­czy­wi­ście, detek­tory LIGO zare­je­stro­wały ostatnio naro­dziny obiektu o masie pośred­niej. Jakby tego było mało, teo­re­tycy nie prze­stają spe­ku­lo­wać o ist­nie­niu pier­wot­nych czarnych dziur starych jak sam wszech­świat; zaś fizycy wysokich energii od dekad straszą oby­wa­teli moż­li­wo­ścią wypro­du­ko­wa­nia minia­tu­ro­wych dziurek w laboratorium.

Pod względem kon­struk­cji, wszyst­kie czarne dziury są podobne. Zawsze mamy do czy­nie­nia z gra­wi­ta­cyj­nym eks­tre­mum, sur­re­ali­styczną defor­ma­cją cza­so­prze­strzeni, zagad­kową oso­bli­wo­ścią i nie­prze­nik­nioną kotarą hory­zontu zdarzeń. Różnice spro­wa­dzają się głównie do masy obiektu i wyni­ka­ją­cej bez­po­śred­nio z masy średnicy hory­zontu. Czarna dziura może być większa od całego Układu Sło­necz­nego, ale również drob­niej­sza od jądra atomu – przy­naj­mniej w teorii. 

Aby się w tym wszyst­kim połapać, spró­bujmy ska­ta­lo­go­wać to, co już wiemy, dodając szczyptę tego, co dopiero spo­dzie­wamy się odkryć. 

Czarne dziury z gwiazd

Zacznijmy od naj­po­spo­lit­szej oraz naj­le­piej poznanej grupy czarnych dziur. Kate­go­ria ta obejmuje obiekty o masach od 5. do 45. Słońc (M⊙).

Na pewno już nie raz i nie dwa sły­sze­li­ście, że “kon­wen­cjo­nalna” czarna dziura stanowi rodzaj eks­klu­zyw­nego nagrobka dla obumar­łych gwiazd o odpo­wied­nio okazałej tuszy. Podczas gdy galak­tyczny plebs – czerwone i żółte karły pokroju naszego Słońca – kończy swój cykl ewo­lu­cyjny względ­nie spo­koj­nie; brzu­chate olbrzymy odchodzą z hukiem. Kiedy procesy meta­bo­liczne w ich wnę­trzach słabną, pałeczkę przej­muje miaż­dżąca siła gra­wi­ta­cji. Wierzch­nie warstwy gwiazdy rap­tow­nie opadają na jądro, którego zawar­tość ulega dege­ne­ra­cji pod wpływem nie­wy­obra­żal­nego ciśnie­nia. Przyj­muje się, że super­nowe gwiazd w prze­dziale od 8 do około 20M⊙, dają początek pulsarom; te powyżej 20M⊙ zwia­stują naro­dziny czarnych dziur.

Prosty schemat ewolucji gwiazd.
Mak­sy­mal­nie uprosz­czony schemat ewolucji gwiazdy.

Trzeba tu zazna­czyć, że tylko pewna część materii ginącej gwiazdy kon­wer­tuje w nowy obiekt – więk­szość plazmy doznaje gwał­tow­nego odbicia i zostaje z impetem wyrzu­cona prze­strzeń. Dlatego nowo­na­ro­dzona gwiazda neu­tro­nowa lub czarna dziura, skupia tylko ułamek masy nie­gdy­siej­szej gwiazdy. Śmierć olbrzyma dwu­dzie­sto­krot­nie masyw­niej­szego od Słońca, poskut­kuje zwykle powsta­niem obiektu o 3/4 lżej­szego[1].

Bardziej zasta­na­wiać może ist­nie­nie górnego limitu, w oko­li­cach 45M⊙. Wyda­wa­łoby się, że większa masa gwiazdy oznacza po prostu bardziej spek­ta­ku­larną eks­plo­zję super­no­wej, która zapo­cząt­kuje ist­nie­nie jeszcze potęż­niej­szej czarnej dziury. 

Astro­fi­zycy mają co do tego wąt­pli­wo­ści i uważają, że typowy model nie ma zasto­so­wa­nia w przy­padku cho­ro­bli­wie otyłych gwiazd (za przykład może posłużyć R136a1 w Wielkim Obłoku Magel­lana “ważąca” aż 215M⊙). Ciśnie­nie panujące w trze­wiach takiego giganta jest na tyle duże, że do gry wkra­czają dodat­kowe zjawiska fizyczne. Gwiazda wybucha jeszcze przed osta­tecz­nym finałem kolapsu, dosłow­nie roze­rwana w strzępy. Zamiast planowej roz­biórki – w postaci kla­sycz­nej super­no­wej – dochodzi w tym przy­padku do cha­otycz­nego, nie­kon­tro­lo­wa­nego zawa­le­nia. Po rekor­dowo dorodnym olbrzy­mie, para­dok­sal­nie nie pozo­staje nic, poza barwną chmurą gazu i pyłu.

Dziury supermasywne

Prze­nie­śmy się teraz do centrum Drogi Mlecznej. Tam, na skrzy­żo­wa­niu galak­tycz­nych ramion, gdzie lśnią miliony gęsto upa­ko­wa­nych gwiazd, prze­sia­duje kosmiczny VIP. Obiekt o masie nie setek, nie tysięcy, ale ponad 4 milionów Słońc i pro­mie­niu 13 milionów kilo­me­trów (osiem­na­sto­krot­nie obszer­niej­szy od Słońca). Sagit­ta­rius A*, jak go ochrzcili uczeni, to z całą pew­no­ścią naj­po­waż­niej­szy lokator naszej galak­tyki, ciężką ręką panujący nad setkami pobli­skich gwiazd.

Bardziej szo­ku­jąca od przy­wo­ła­nych wartości może być chyba tylko świa­do­mość, że nasza bestyjka z Drogi Mlecznej wypada bardzo skromnie, żeby nie powie­dzieć biednie, na tle swoich kole­ża­nek z innych galaktyk.

Zdjęcie czarnej dziury w galaktyce M87.
Czarna dziura w centrum M87, w gro­ma­dzie Panny.

Przy­kładu nie trzeba długo szukać. Mam nadzieję, że pamię­ta­cie rok 2019 i medialny szum towa­rzy­szący opu­bli­ko­wa­niu pierw­szej grafiki przed­sta­wia­ją­cej “cień” czarnej dziury w galak­tyce M87. Promień obiektu kry­ją­cego się za nie­wy­raź­nym obwa­rzan­kiem mierzy ponad 20 miliar­dów kilo­me­trów, zaś jego sza­cun­kowa masa sięga 6,5 miliarda Słońc. 

Jak widać, doło­ży­li­śmy parę zer i z milionów bły­ska­wicz­nie prze­szli­śmy do grubych miliar­dów. Horyzont zdarzeń M87 bez trudu przy­kryłby ze trzy Układy Sło­neczne. A to nawet nie jest rekord! Monstra pokroju Holm 15A czy TON 618 prze­kra­czają 40 miliar­dów M⊙, a ich rozmiary idą w setki miliar­dów kilo­me­trów. Oso­bi­ście w takich przy­pad­kach wolę mówić już nie o super­ma­syw­nych, lecz ultra­ma­syw­nych czarnych dziurach[2]. Jeśli sądzicie, że prze­sa­dzam, zauważ­cie że wspo­mniany Holm 15A jest aż dziesięć tysięcy (!) razy masyw­niej­szy od “potęż­nego” Sagit­ta­riusa A*. To jak zesta­wie­nie pocisku kara­bi­no­wego z bombą lotniczą.

Porównanie wielkości supermasywnych czarnych dziur.
Rozmiary przy­kła­dów super­ma­syw­nych czarnych dziur w zesta­wie­niu z naszym Słońcem.

Tajem­nicą pozo­staje geneza takich tytanów. Nawet gdyby “stan­dar­dowa” czarna dziura pożerała materię przez cały okres ist­nie­nia wszech­świata i zawsze miała pełną michę, 13 miliar­dów lat to wciąż za mało, aby zdołała dojść do pułapu miliar­dów M⊙. Bardziej praw­do­po­dobny sce­na­riusz zakłada, że super­ma­sywne dziury kształ­to­wały się rów­no­cze­śnie z obecnymi struk­tu­rami kosmosu. Być może w wyniku napływu materii do jąder młodych galaktyk docho­dziło do zagęsz­czeń gigan­tycz­nych obłoków, które po prostu zapadały się pod własnym ciężarem. Ciężar ten byłby tak znaczny, że umoż­li­wiałby kolaps bez­po­śred­nio w potężne czarne dziury, z pomi­nię­ciem jakich­kol­wiek etapów pośred­nich. Pod­kre­ślam: być może.

Dziury o masie pośredniej

Jak na pewno spo­strze­gli­ście doko­na­li­śmy skoku godnego wyczynu Adama Małysza w Wil­lin­gen. Roz­wa­ża­li­śmy gwiaz­dowe czarne dziury o masach do kil­ku­dzie­się­ciu Słońc, po czym bły­ska­wicz­nie prze­szli­śmy do gar­gan­tu­icz­nych bestii z masami liczo­nymi w milio­nach lub miliar­dach Słońc. Czy pomiędzy tymi dwiema kate­go­riami naprawdę nic nie ma? 

Ta wyraźna luka spędzała sen z powiek naukow­ców przez długi czas. Kluczowa okazała się detekcja zda­rze­nia GW190521 z maja 2019 roku. Zespoły badawcze LIGO-Virgo zare­je­stro­wały wtedy gra­wi­ta­cyjny ślad kolizji dwóch ciał o nie­ocze­ki­wa­nych gaba­ry­tach, odpo­wied­nio 66 i 85M⊙. Ich połą­cze­nie dało początek nowemu obiek­towi o masie 142M⊙ (przy czym około 9M⊙ rozlało się po wszech­świe­cie pod postacią energii fal grawitacyjnych).

Powstanie czarnej dziury o masie pośredniej.
Praw­do­po­dobny przebieg wydarzeń, który dopro­wa­dził do powsta­nia obiektu GW190521.

Odkrycie potwier­dziło przy­pusz­cze­nie, że czarne dziury pod­le­gają powszech­nym i wie­lo­krot­nym fuzjom, co może stanowić taśmę pro­duk­cyjną dla czarnych dziur o masie pośred­niej. Mecha­nizm jest dość prosty. Nawet jeśli w ogniu super­no­wych wykuwane są obiekty nie­prze­kra­cza­jące 45M⊙, to mogą one nadal zlewać się w większe, te w jeszcze większe, a te w jeszcze większe – formując kolejne gene­ra­cje śred­nia­ków. Praw­do­po­dob­nie tak właśnie było w przy­padku GW190521, gdzie już skład­niki układu wykra­czały poza limit “kon­wen­cjo­nal­nej” masy, co oznacza, że same mogły stanowić owoc wcze­śniej­szych fuzji.

Dziury miniaturowe

Porzućmy na moment odległy wszech­świat i zasta­nówmy się nad pytaniem, czy czarne dziury zawsze muszą być takie masywne i groźne? Czy fizyka oferuje coś podob­nego w wersji mini?

Nie­któ­rzy czy­tel­nicy mogą pamiętać kon­tro­wer­sje jakie towa­rzy­szyły uru­cho­mie­niu Wiel­kiego Zder­za­cza Hadronów[3]. Grupka pani­ka­rzy głośno wyrażała swoje obiekcje co do para­me­trów nowego urzą­dze­nia, wska­zu­jąc, że może ono przy­pad­kowo (albo celowo, zależnie od wersji) posłużyć do pro­duk­cji czarnych dziur. W ten sposób, akce­le­ra­tor cząstek ele­men­tar­nych miał zagrozić uni­ce­stwie­niem cywi­li­za­cji, planety, a później pewnie całego Układu Słonecznego.

Miniaturowe czarne dziury o masach subatomowych.

LHC funk­cjo­nuje od wielu lat, a jednak czytacie te słowa – co dowodzi, że arty­ku­ło­wane obawy były trochę prze­sa­dzone. Nie zamyka to jednak dyskusji na temat moż­li­wo­ści ist­nie­nia naprawdę drobnych dziur. Teoria niczego nie wyklucza. Każdy obiekt zgnie­ciony do odpo­wied­nich roz­mia­rów – poniżej pro­mie­nia Schwarz­schilda – może popsuć cza­so­prze­strzeń i wykształ­cić własny horyzont zdarzeń. Dla dużej gwiazdy taki promień wynosi kil­ka­dzie­siąt lub kilkaset kilo­me­trów, dla Ziemi 8,8 mili­me­tra, a dla Mount Everestu mniej niż nanometr.

Zło­wiesz­cze produkty zabawy fizyków wysokich energii byłyby jeszcze o wiele, wiele mniejsze i ocierać się o długość Plancka, czyli 10-35 metra. Tak bardzo musia­łyby zbliżyć się dwie roz­pę­dzone cząstki podczas czołowej kolizji w tunelu akce­le­ra­tora. Czy to w ogóle możliwe? Nie­któ­rzy teo­re­tycy uważali i wciąż uważają, że tak, choć wyma­ga­łoby to nadania sub­a­to­mo­wym pociskom mon­stru­al­nej energii. Ci sami uczeni uspo­ka­jają jednak, że minia­tu­rowa czarna dziura nie powinna stanowić zagro­że­nia. Zgodnie z popisową kon­cep­cją Stephena Hawkinga, tak drobny obiekt wypa­ro­wałby w odpo­wied­nio krótkim czasie, rzędu kwa­dry­lio­no­wej części sekundy.

Dziury pierwotne

Skoro już jesteśmy przy hipo­te­zach, to na zakoń­cze­nie mam kolejną. Jeśli jest praw­dziwa, wszech­świat był i być może nadal jest dosłow­nie usiany jeszcze jednym typem obiektów, nie­przy­pad­kowo nazy­wa­nych pier­wot­nymi czarnymi dziurami (PBH). Ich geneza nie ma nic wspól­nego z ewolucją gwiazd, albowiem miałyby one powstać jeszcze przed ufor­mo­wa­niem pierw­szych galaktyk.

Roz­wi­jana od prawie pół wieku pro­po­zy­cja zakłada, że kiedy na dosko­na­łej tafli nie­mow­lę­cego wszech­świata zaczęły pojawiać się pierwsze zabu­rze­nia, w miej­scach naj­więk­szych zagęsz­czeń docho­dziło do nie­unik­nio­nych kolapsów. W gra­wi­ta­cyj­nym tyglu świeża materia tworzyła pierwszą gene­ra­cję gwiazd, a w naj­bar­dziej new­ral­gicz­nych miej­scach od razu kształ­to­wała czarne dziury. Ich gabaryty mogły być prze­różne, włą­cza­jąc w to wersje kie­szon­kowe o masie małej planety lub komety. Uwzględ­nia­jąc wspo­mniane już pro­mie­nio­wa­nie Hawkinga, naj­drob­niej­sze z nich – zwłasz­cza te poniżej miliarda ton – nie prze­trwa­łyby 13 miliar­dów lat.

Czy to oznacza, że w obecnym wszech­świe­cie nie ostał się żaden przed­sta­wi­ciel naj­star­szego szczepu czarnych dziur? Tego nadal nie wiemy. Ewen­tu­alne odkrycie takiego egzem­pla­rza nie tylko roz­wia­łoby wiele wąt­pli­wo­ści doty­czą­cych pierw­szych milionów lat po wielkim wybuchu, ale również pomo­głoby w zro­zu­mie­niu obecnie obser­wo­wa­nych zjawisk. Spora popu­la­cja czarnych dziur, nawet o sto­sun­kowo nie­wiel­kich masach, bez wąt­pie­nia peł­ni­łaby kapi­talną rolę w rzeź­bie­niu kosmicz­nych struktur, a tym samym mogłaby okazać się skład­ni­kiem, albo nawet alter­na­tywą dla nie­uchwyt­nej ciemnej materii.

Ale skoro pier­wotne czarne dziury istotnie prze­trwały i stale kształ­tują losy wszech­świata, to dlaczego nigdy żadnej nie spo­tka­li­śmy? Nie­któ­rzy badacze, jak Amir Siraj i Abraham Loeb z Harvardu, są zdania, że jeden z takich potwor­ków może czaić się znacznie bliżej niż sądzimy. Drobne anomalia gra­wi­ta­cyjne obser­wo­wane na obrze­żach Układu Sło­necz­nego – które więk­szość astro­no­mów traktuje jako przy­czy­nek do poszu­ki­wań nowej, dzie­wią­tej planety – według Loeba i Siraja, równie dobrze mogą być tłu­ma­czone cichą obec­no­ścią ciemnego obiektu o średnicy kilku metrów i masie dużej planety. Takim obiektem byłaby rzecz jasna, pier­wotna czarna dziura.

Ciekawa, choć dość upiorna wizja.

Literatura uzupełniająca:
C. Pickover, Czarne dziury, przeł. J. Błaszczyk, Warszawa 1997;
C. Scharf, Silniki grawitacji. Jak czarne dziury rządzą galaktykami i gwiazdami, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2014;
J. Lasota, K. Głowacka, Kłopoty z eureką. O co kłócą się uczeni?, Kraków 2020;
H. Lesch, Dlaczego wszechświat nie jest z gumy? Odkrycie fal grawitacyjnych, przeł. K. Rejmer, Łódź 2018;
S. Hawking, Teoria wszystkiego, czyli krótka historia wszechświata, przeł. M. Lipa, Warszawa 2018;
R. Abbott, Properties and Astrophysical Implications of the 150 M ⊙ Binary Black Hole Merger GW190521, “The Astrophysical Journal”, 900, L13 (2020);
D. Shiga, Did the big bang spawn trillions of black holes?, [online: www.newscientist.com/article/dn12665-did-the-big-bang-spawn-trillions-of-black-holes/];
A. Siraj, A. Loeb, Searching for Black Holes in the Outer Solar System with LSST, “The Astrophysical Journal”, vol. 898, lipiec 2020. 
[+]
Total
214
Shares