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.
[+]
Zwięźle o wenusjańskim fosforowodorze Wszyscy jesteście puści Stuletnia droga do szczególnej teorii względności – cz. 1