Czytaj dalej

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. 

Dziury o rodowodzie gwiazdowym

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*.

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.

Czarna dziura 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**. 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***. 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.

* Można tu wskazać interesującą lukę, albowiem najlichsze gwiazdowe czarne dziury nie schodzą poniżej granicy 5 Słońc, z kolei najmasywniejsze gwiazdy neutronowe nie przekraczają masy 2,14 Słońc. Czy to oznacza, że przedział pomiędzy 2,14 a 5 Słońc został kompletnie zaniedbany przez Matkę Naturę? Niekoniecznie. Wydaje się prawdopodobne, że istnieją odpowiednie czarne dziury, będące produktem kraksy dwóch dostatecznie masywnych pulsarów.
** Natknąłem się niedawno w jednym artykule z określeniem “niesamowicie dużej czarnej dziury” (SLAB, ang. stupendously large black holes).
*** Z tamtego okresu pochodzi strona internetowa pod wiele mówiącym adresem: hasthelargehadroncolliderdestroyedtheworldyet.com. Coś mi mówi, że w przyszłości jeszcze się przyda.
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. 
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.