Czarna dziura: definicja, powstawanie i tajemnice wnętrza

Nasze wyobrażenie o kosmosie często koncentruje się wokół świecących gwiazd i planet. Istnieją jednak miejsca o tak silnej grawitacji, że światło nie może ich opuścić – czarne dziury, obszary czasoprzestrzeni, w których znane prawa fizyki ulegają ekstremalnym zmianom, a w 2019 roku naukowcom po raz pierwszy udało się zobrazować cień jednej z nich w galaktyce M87.

Pierwsze zdjęcie czarnej dziury: 2019 r. (M87*) · Masa supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej: ok. 4 mln mas Słońca · Najmniejsza znana czarna dziura: ok. 3 mas Słońca · Liczba czarnych dziur w Drodze Mlecznej (szacunki): od 10 mln do 1 mld

Kluczowe dane w pigułce:

Co to są czarne dziury?

Czarna dziura to obszar czasoprzestrzeni, w którym grawitacja jest tak ekstremalna, że nic – nawet światło – nie może opuścić jej granic. W odróżnieniu od zwykłych gwiazd czarna dziura nie emituje promieniowania na zewnątrz, dlatego nie jest “dziurą” w dosłownym tego słowa znaczeniu, lecz ekstremalnie zakrzywioną częścią czasoprzestrzeni (Europejska Agencja Kosmiczna – ESA). Granica, poza którą powrót staje się niemożliwy, to horyzont zdarzeń – powierzchnia, która dla nieobrotowej i nienaładowanej czarnej dziury opisuje promień Schwarzschilda (Zintegrowana Platforma Edukacyjna – ZPE).

Czym różnią się czarne dziury od innych obiektów?

• Mogą mieć masę od 3 do kilkudziesięciu mas Słońca (gwiazdowe) albo miliardy mas Słońca (supermasywne) (NASA Science)
• Nie emitują światła własnego – ich obecność zdradza grawitacyjny wpływ na otoczenie (Europejskie Obserwatorium Południowe – ESO)
• Nie mają stałej powierzchni – raz przekroczony horyzont zdarzeń prowadzi nieuchronnie do osobliwości (Zintegrowana Platforma Edukacyjna – ZPE)

Ile jest rodzajów czarnych dziur?

Astronomowie wyróżniają trzy główne typy: gwiazdowe czarne dziury (powstają z zapadania się masywnych gwiazd), supermasywne czarne dziury (znajdują się w centrach galaktyk) oraz czarne dziury o masie pośredniej (rzadko obserwowane, mogą być brakującym ogniwem). Według NASA Science każda z tych klas różni się masą i mechanizmem tworzenia. Szacuje się, że w Drodze Mlecznej znajduje się od 10 milionów do 1 miliarda gwiazdowych czarnych dziur, ale dotąd zidentyfikowano ledwie kilkadziesiąt.

Jak powstaje czarna dziura?

Proces powstawania zależy od masy obiektu wyjściowego. Gwiazdowe czarne dziury powstają, gdy gwiazda o masie co najmniej 20 mas Słońca wyczerpie swoje paliwo termojądrowe i zapada się grawitacyjnie (NASA Science). W małej objętości zgromadzona masa tworzy osobliwość – punkt o nieskończonej gęstości (ZPE).

Zapadanie się gwiazdy

Gdy masywnej gwieździe zabraknie paliwa jądrowego, ciśnienie promieniowania przestaje równoważyć siły grawitacji. Jądro zapada się w ułamku sekund, a zewnętrzne warstwy eksplodują w wybuchu supernowej. Z pozostałości jądra tworzy się czarna dziura. (NASA Science)

Powstawanie czarnych dziur gwiazdowych

• Wymagana masa gwiazdy: >20 mas Słońca
• Proces trwa od kilku do kilkunastu miliardów lat (ewolucja gwiazdy)
• Zderzenia czarnych dziur potwierdzono poprzez emisję fal grawitacyjnych (Obserwatorium LIGO)

Supermasywne czarne dziury – inne mechanizmy

Powstawanie gwiazd nie wyjaśnia powstawania supermasywnych czarnych dziur. Według Europejskiej Agencji Kosmicznej jedna z hipotez zakłada, że formują się one w wyniku łączenia mniejszych osobliwości przez miliardy lat. Inna sugeruje bezpośredni kolaps ogromnych obłoków gazu we wczesnym wszechświecie. Prawdopodobnie każda większa galaktyka zawiera w środku co najmniej jedną supermasywną czarną dziurę.

Co się dzieje w środku czarnej dziury?

Po przekroczeniu horyzontu zdarzeń każda cząstka i każde promieniowanie nie mogą uniknąć zmierzania w kierunku osobliwości – punktu, w którym gęstość jest nieskończona (ZPE). Wobec osobliwości prawa fizyki – zarówno ogólna teoria względności, jak i mechanika kwantowa – przestają działać.

Osobliwość

Osobliwość to matematyczna konsekwencja równań pola Einsteina. W tym punkcie czasoprzestrzeń jest nieskończenie zakrzywiona, a znane wielkości fizyczne stają się nieokreślone. (Europejskie Obserwatorium Południowe – ESO)

Zakrzywienie czasoprzestrzeni

W praktyce oznacza to, że dla obserwatora z zewnątrz światło wydaje się zwalniać i wymykać. To efekt dylatacji czasu opisanej przez ogólną teorię względności (Wikipedia).

Dla fizyków ta nieliniowa zależność między czasem a grawitacją zmusza do kwestionowania dotychczasowych modeli przestrzeni.

Czy w czarnej dziurze jest czas?

Tak, ale działa inaczej niż na zewnątrz. Ogólna teoria względności przewiduje, że w silnym polu grawitacyjnym czas płynie wolniej – im bliżej horyzontu zdarzeń, tym różnica jest większa (ZPE). Dla kogoś z zewnątrz, kto obserwuje kogoś spadającego w stronę horyzontu, czas tej osoby wydaje się zwalniać i ostatecznie zatrzymuje się na horyzoncie.

Dylatacja czasu

Efekt dylatacji czasu został potwierdzony eksperymentalnie – najpierw w układzie GPS, a potem w eksperymentach z lotami atomowymi. W pobliżu czarnej dziury jest on ekstremalny: dla zewnętrznego obserwatora zegar wpadającego zwalnia, a w rzeczywistości dla samego wpadającego czas płynie normalnie.

Zatrzymanie czasu na horyzoncie zdarzeń

“Jeśli będziesz oglądał kogoś wpadającego do czarnej dziury, dla ciebie na zewnątrz – ta osoba nigdy nie przekroczy horyzontu zdarzeń. Z jej perspektywy jednak wpadnięcie nastąpi w skończonym czasie.”

– Kip Thorne, fizyk teoretyk, laureat Nagrody Nobla (Encyklopedia Britannica)

Dla obserwatora zewnętrznego oznacza to, że wpadający wydaje się “zamrożony” na granicy, a wewnątrz czas płynie dalej – konsekwencja, która zmusza do ponownego przemyślenia pojęcia teraźniejszości.

Czy można wpaść do czarnej dziury?

Blisko Ziemi nie znamy żadnej czarnej dziury gotowej nas wciągnąć. Najbliższa znana – Gaia BH1 – dzieli nas dystansem ok. 1560 lat świetlnych. Gdyby jednak jakiś starożytny obiekt znalazł się w zasięgu, konsekwencje byłyby katastrofalne. (NASA)

Czy istnieją czarne dziury w pobliżu Ziemi?

Nie. Z dostępnych danych astronomicznych wynika, że w bezpośrednim sąsiedztwie Układu Słonecznego nie ma ani jednej czarnej dziury. Najbliższa jest odległa na ~1560 lat świetlnych, a nawet gdyby pojawiła się w wewnętrznym Układzie Słonecznym, efekty grawitacyjne byłyby minimalne.

Spaghettiifikacja

“Jeśli zbliżysz się do czarnej dziury, siły pływowe rozciągną cię w długi cienki strumień – to się nazywa spaghettiifikacja. Najpierw zostałoby rozerwane twoje ciało wzdłuż, a potem zmiażdżone z boku.”

– Stephen Hawking, fizyk teoretyk (Britannica)

Dla astronauty oznacza to nieuchronne zniszczenie przez siły pływowe, zanim dotrze do horyzontu – konsekwencja, która wyklucza jakąkolwiek podróż w głąb czarnej dziury.

Co tak naprawdę się dzieje, jeśli wpadniesz do czarnej dziury?

Z twojej własnej perspektywy czas płynie normalnie, ale z zewnątrz nikt nie zobaczy przekroczenia horyzontu zdarzeń. Dla świata na zewnątrz pozostaniesz na zawsze zawieszony w czasie tuż przed granicą. (ZPE)

Przekroczenie horyzontu zdarzeń

Po przekroczeniu horyzontu zdarzeń nie ma odwrotu. Każdy kierunek, także światło, prowadzi w głąb osobliwości. Zjawisko to wynika z tego, że wewnątrz horyzontu czasoprzestrzeń zmienia się tak, że droga do osobliwości staje się nieuchronna – jakbyś był w rzece zbyt silnej, by płynąć pod prąd. (Europejska Agencja Kosmiczna – ESA)

Czy da się przeżyć?

Niestety nie. Wszystko wskazuje na to, że w żadnym przypadku nie da się przeżyć podróży w głąb czarnej dziury. Nawet jeśli udałoby się uniknąć rozerwania przez siły pływowe (co jest niemożliwe przy masie gwiazdowej), w osobliwości materia rozpada się na poziom cząstek. (NASA)

Dla fizyków oznacza to, że czarne dziury stanowią granicę naszego poznania – tam, gdzie kończy się znana fizyka.

Potwierdzone i niejasne aspekty czarnych dziur

Najczęściej zadawane pytania