To nie jest czarna dziura. Polski fizyk wyjaśnia, co tak naprawdę widzimy na historycznym zdjęciu
Czy można zrobić zdjęcie czemuś, co pochłania i nie wypuszcza światła? To pytanie zadaje sobie wiele osób, które z podziwem patrzą na historyczną fotografię czarnej dziury. Odpowiedzi na nie udzielił nam polski fizyk dr hab. Andrzej Dragan z Uniwersytetu Warszawskiego.
Czyli Albert Einstein znów miał rację?
Można powiedzieć, że właśnie tej racji nie miał. Jest twórcą teorii względności, ale to nie on odkrył czarne dziury. Wręcz przeciwnie. Kiedy odkryto czarne dziury, on powątpiewał w fizyczność tych rozwiązań.
Pierwszym odkrywcą czarnych dziur, choć jeszcze wtedy tak się nie nazywały, był Karl Schwarzschild - niemiecki pułkownik artyleryjski i znakomity fizyk. Einstein był pod wrażeniem jego rozwiązań, ale miał wątpliwości dotyczące poprawności fizycznej. Samą nazwę czarnych dziur wymyślił Amerykanin John Wheeler.
Einstein odgadł równania teorii względności, ale ich konsekwencje zwykle nie są już jego zasługą. Często się mylił. Nie tylko wątpił w istnienie czarnych dziur, ale i fal grawitacyjnych, które zostały wykryte dość niedawno. Mylił się w też w kwestii stałej kosmologicznej. Historia jego pomyłek jest burzliwa, ale niezwykle ciekawa.
Nie możemy też zapominać, że żył i pracował w czasach przed lotami w kosmos, satelitami, czy teleskopem Hubble’a. Nie możemy się więc dziwić, że miał szereg wątpliwości.
To prawda. Konsekwencje jego teorii są dalekosiężne i dopiero teraz zaczynamy je w pełni obserwować, choć przewidywania były znane już dawno temu.
I są dość precyzyjne. Przez lata widzieliśmy wizualizacje czarnych dziur zarówno na portalach astrofizycznych, jak i w filmach pokroju "Interstellar". Nawet w twojej książce "Kwantechizm" jest to tak szczegółowo opisane, że teraz wystarczy errata z dopiskiem, że już nie trzeba gdybać, bo mamy zdjęcie. I wszystkie te grafiki powstały tylko na podstawie wzorów?
Na tym właśnie polega piękno fizyki teoretycznej. Ona przewiduje wiele rzeczy tylko na podstawie kartki, długopisu... i kosza na śmieci oczywiście.
Czarną dziurę w filmie Christophera Nolana pomagał zwizualizować znany fizyk Kip Thorne•Kadr z filmu "Interstellar"
Tak naprawdę to próżnia otaczająca jeden centralny punkt nazywany osobliwością. Osobliwość to defekt czasoprzestrzeni, który wpływa na całą przestrzeń wokół - zakrzywiając ją. Rodzi to różne, dziwne konsekwencje. Jedną z nich jest horyzont zdarzeń.
Kolejna wyjątkowa właściwość dotyczy miejsca znajdującego się tuż obok horyzontu zdarzeń. Czas ulega tam spowolnieniu. Jeśli mielibyśmy dwa zegary i jeden umieścilibyśmy przy horyzoncie, a drugi trzymali przy sobie w dużej odległości, to ten przy horyzoncie będzie mierzył czas o wiele wolniej.W pewnej skończonej odległości od osobliwości, proporcjonalnej do masy czarnej dziury, znajduje się powierzchnia nazywana horyzontem zdarzeń. Po przekroczeniu jej, nie można się wydostać na zewnątrz. To dotyczy również światła. Stąd właśnie nazwa czarnej dziury, która przez tę właściwość nie może świecić.
Czas zwalnia również wtedy, kiedy zbliżamy się do czarnej dziury. W teorii moglibyśmy polecieć statkiem w okolice horyzontu zdarzeń i wrócić. Nasza podróż trwałaby kilka godzin, ale w tym czasie na Ziemi mogłoby upłynąć wiele milionów lat.
To w zasadzie bezpośrednia konsekwencja szczególnej teorii względności. Taki efekt nazywamy dylatacją czasu. I możemy wnioskować, że występuje również w pobliżu czarnych dziur. Dylatacja polega na tym, że czas w poruszających się ciałach upływa wolniej. I również zegar chodzi wolniej, jeśli porusza się z dużą prędkością.
Ta czarna dziura, którą widzimy na słynnym już zdjęciu, jest czarną dziurą?
To czarna dziura otoczona przez materię międzygwiezdną, która do niej wpada. Materia rozpędza się do ogromnych prędkości, podgrzewa się i zaczyna świecić. To światło do nas dociera i to właśnie je widzimy. Sam środek jest dla nas niewidoczny i taki pozostanie zawsze.
Na fotografii widzimy też centralny obszar, który wydaje się ciemniejszy. To nie jest osobliwość, bo jej nie będziemy w stanie zobaczyć, o ile nie wpadniemy do środka. Widzimy natomiast okolicę horyzontu zdarzeń otaczającego osobliwość, który również przybiera sferyczną formę.Patrząc na czarną dziurę z pewnej odległości jesteśmy świadkami osobliwych zjawisk optycznych. Czarna dziura zagina światło, które przebiega w pobliżu. Przypomina to działanie soczewki, która również zakrzywia promień światła. Obraz, który widzimy na fotografii jest obrazem materii, która wpada do czarnej dziury, ale jest dodatkowo zniekształcony przez złudzenia optyczne wynikające z zakrzywienia przestrzeni wokół.
Te wszystkie zjawiska muszą być spotęgowane zwłaszcza w przypadku tej konkretnej czarnej dziury. Ma przecież masę 6,5 mld Słońc!
Tak, w centrach galaktyk znajdują się czarne dziury mające masę rzędu milionów, a nawet miliardów mas Słońca. Są też mniejsze czarne dziury. Fale grawitacyjne wykryliśmy właśnie za sprawą zderzenia dwóch czarnych dziur o masie kilkunastu czy kilkudziesięciu mas Słońca. W wyniku wielu takich połączeń powstają właśnie czarne dziury stanowiące centra galaktyk.
W środku naszej galaktyki też jest taka czarna dziura, prawda?
Tak, jest olbrzym o nazwie Sagittarius A*, który ma masę ok. 4 milionów mas Słońca. Tę czarną dziurę jest nam trudno obserwować ze względu na to, że jesteśmy w tej samej galaktyce i obraz przesłaniają nam wszystkie inne obiekty.
Skąd zatem wiadomo, że jest tam czarna dziura?
Z obserwacji astronomicznych. Szacuje się na podstawie ruchu gwiazd w galaktyce, jakie musi być źródło grawitacji, by ten ruch wywoływać. Wiadomo, w jakim obszarze musi się to źródło grawitacji zamykać. Przy tak dużej masie i tak małych rozmiarach, jedyny obiekt jaki się tam może znajdować, to czarna dziura.
Natomiast odpowiednio duże gwiazdy, pod koniec swojego życia, kiedy wypala im się wewnętrzne paliwo, zaczynają gasnąć. Nie ma już siły, która rozsadza je na zewnątrz, tylko pozostaje siła grawitacji. Gwiazda zaczyna się zapadać pod wpływem własnej grawitacji. Doprowadza to do kurczenia się i powstania czarnej dziury.Czarna dziura powstaje zawsze wtedy, kiedy ściśniemy pewną ilość materii do pewnych granicznych rozmiarów. Gdybyśmy chcieli zrobić z Ziemi czarną dziurę, to musielibyśmy ją ścisnąć do rozmiarów orzecha włoskiego. To raczej nie jest wykonywalne.
Wróćmy do samego zdjęcia. Jak się udało je zrobić? Ta czarna dziura jest oddalona od nas o 55 mln lat świetlnych, czyli widoczny obraz ma... 55 milionów lat.
Tak, to fotografia przeszłości i nie wiadomo, co teraz się tam znajduje i jak wygląda. W tym projekcie wykorzystano dane z wielu obserwatoriów umieszczonych na całej Ziemi. Na podstawie ich zrekonstruowano fotografię. To nie jest tak, że ktoś to pstryknął zdjęcie zaawansowanym aparatem.
Dlaczego wcześniej nie udało się zrobić takiego zdjęcia? I czy faktycznie jest to tak epokowe wydarzenie, jak czytamy w mediach?
Trudność w zrobieniu tego zdjęcia wiązała się jedynie z aspektem praktycznym, który wynika ze wspomnianej odległości. Pojedynczy instrument dostępny na Ziemi nie byłby w stanie tego dokonać. Wymagało to kolektywnej pracy i pomiarów z wielu obserwatoriów. Do tego dochodziła późniejsza analiza danych.
Nie jest to przełom naukowy jeśli chodzi o fizykę teoretyczną. Nie sądzę, by jakikolwiek współcześnie żyjący, poważny fizyk wątpił w istnienie czarnych dziur. Ta fotografia na pewno poprawia nam nastrój na pięć minut. I tyle. Nie ma w niej niczego szokującego, bo wszyscy spodziewaliśmy się właśnie takiego zdjęcia.
Sam fakt istnienia czarnych dziur jest bezpośrednią konsekwencją teorii względności i nie było szans na zaobserwowanie czegoś zupełnie innego.