Zapewne spoglądając na temat mojego eseju zastanawiasz się drogi czytelniku o co dokładnie może mi chodzić. Zapewniam, że jeśli zagłębisz się bardziej w lekturę wszystko stanie się jasne. Jakiś czas temu przeczytałem publikację pewnego słynnego fizyka zajmującego się tematem czarnych dziur. Temat ten mnie zafascynował, zacząłem kopać głębiej, a rezultatem moich poszukiwań jest niniejszy krótki esej o badaniach, odkryciach oraz perspektywach związanych ze zjawiskiem powszechnie znanym jako czarna dziura(tak- perspektywach).
Na początek warto wspomnieć czym jest i gdzie znajdziemy czarną dziurę. Każda osoba, która chociaż trochę miała do czynienia z lekturą związaną z kosmosem, czarną dziurę kojarzy ze śmiercią jednej z gwiazd. I należy oczywiście się z tym skojarzeniem zgodzić, gdyż czarna dziura to końcowy wynik ewolucji tych największych z gwiazd i jest to zjawisko całkowicie naturalne. Gwiazdy te są olbrzymami, a ich masy są często conajmniej kilkukrotnie większe niż masa naszego Słońca. W momencie śmierci takiego giganta procesy termojądrowe bijące z jego serca przestają równoważyć ścisk z zewnątrz i grawitacja zwycięża. Niewyobrażalna ilość materii całkowicie naturalnie zostaje ściśnięta do objętości tak małej, że pojawiają się efekty, które na Ziemii jesteśmy w stanie otrzymać tylko w warunkach laboratoryjnych na skalę nieporównywalnie mniejszą. Inaczej natura obchodzi się z tak zwanymi białymi karłami, gdyż jest to efekt śmierci małej gwiazdy, której zgniatanie są w stanie zahamować siły występujące między elektronami. Gwiazdy półtora razy masywniejsze od Słońca również sobie jakoś radzą – opór grawitacyjnemu ciśnieniu stawiają neutrony, rodząc gwiazdę neutronową.
Zgodnie z ogólną teorią względności Alberta Einsteina, do powstania czarnej dziury niezbędne jest nagromadzenie dostatecznie wielkiej masy w odpowiednio małej (oczywiście w skali kosmosu) objętości. Dla przykładu: aby Ziemia stała się czarną dziurą jej promień powinien być mniejszy niż 1 cm, zaś Słońce promień mniejszy niż 3 km.
Kolejnym ważnym pojęciem jest horyzont zdarzeń, który przypomina błonę półprzepuszczalną, która jest swojego rodzaju wejściem do wnętrza czarnej dziury. Z jednej strony nie przepuszcza fal elektromagnetycznych i innych sygnałów biegnących w kierunku obserwatora, natomiast przepuszcza je w kierunku przeciwnym. Obserwator, zmieniając swój ruch, sam może przeniknąć do części Wszechświata zakrytej przez horyzont zdarzeń.Struktura pola grawitacyjnego (która wyznacza geometrię czasoprzestrzeni) oraz ruch obserwatora determinują istnienie horyzontu zdarzeń, jak i jego fizyczne znaczenie. W kontekście kosmologii, horyzont zdarzeń, jest różny od horyzontu cząstek.Do bardziej szczegółowych rodzajów horyzontów należą (powiązane ze sobą, choć odmienne) absolutny horyzont zdarzeń oraz horyzont pozorny, znajdujące się wokół czarnej dziury. Inne bardzo ważne pojęcia to horyzont izolowany oraz dynamiczny, najwięcej znaczące dla obecnego badania nad czarnymi dziurami.
Wnętrze czarnej dziury opisujemy jako osobliwość czyli miejsce o nieskończonej gęstości materii oraz temperaturze. Gdy czytamy, że we wnętrzu czarnej dziury panuje nieskończenie wielka temperatura, na myśl nasuwa się pytanie co by się stało gdybyśmy do takowej wpadli. Jednakże możemy być spokojni, nic takiego nam nie grozi. Najbliższa znana nam czarna dziura znajduję się jakieś 24 000 lat świetlnych od naszej planety i jest to V4641 Sagittarii usadowiona w gwiazdozbiorze Strzelca. Z dotychczasowych obserwacji astronomów wynika, że jest ona uśpiona - w porównaniu do innych czarnych dziur, nasz gigant wykazuje minimalną aktywność. Jednak w jej kierunku pędzi chmura gazowa, która może „obudzić” tego kosmicznego olbrzyma. Wcześniej takie obiekty jedynie przepływały w pobliżu Sagittarius A, która „połykała” zaledwie minimalną ich część. Teraz „jedzenie” samo zmierza bezpośrednio do czarnej dziury i być może zbudzi ją ze snu, ale i tak w niczym to nam nie zagraża, póki co jest stosunkowo mała w porównaniu do ogromnych czarnych dziur osiągających masy miliardów mas słońca. Tak ogromne czarne dziury występują w galaktykach zwanych kwazarami.
Powracając do pytania z poprzednigo akapitu – co gdybyśmy wpadli do czarnej dziury? Załóżmy, że nie jesteśmy sami - nasz towarzysz obserwuje, jak zostajemy wciągnięci, samemu będąc w bezpiecznej pozycji. Z jego perspektywy to, co stanie się potem, będzie wyglądać dosyć dziwnie. Podczas gdy zaczniemy przyśpieszać w kierunku horyzontu zdarzeń, nasz znajomy zobaczy, jak będziemy się wykrzywiać i rozciągać, jakby oglądał nas przez szkło powiększające. Co więcej, im bliżej horyzontu się znajdziemy, tym dla obserwatora wolniej będziemy się poruszać. Kiedy już dosięgnięmy horyzontu, osoba z boku dostrzeże, że utknęliśmy w miejscu, jakby ktoś nas zamroził. Będziemy wyglądać jak rozlany, trwający bez ruchu rozciągnięty obiekt na powierzchni horyzontu. Co więcej, zacznie nas pochłaniać ogień promieniowania Hawkinga. Gdyby więc zapytać naszego towarzysza, co się z nami stało, stwierdziłby, że zostaliśmy spaleni na popiół jeszcze zanim zdążyliśmy wkroczyć w czarną dziurę. Ale z naszej perspektywy wyglądałoby to nieco inaczej. Byłoby tak, jakby... nic się nie stało. Swobodny spadek spowodowany brakiem grawitacji byłby niczym niezakłócony. Horyzont zdarzeń nie jest bowiem ścianą, przypomina raczej jak wcześniej napisałem błonę półprzepuszczalną, gdyż choć nie przepuszcza fal elektromagnetycznych i innych sygnałów w stronę obserwatora, to przepuszcza je jednak w kierunku przeciwnym. To, że nasz towarzysz nie może nic dostrzec za horyzontem, to nie nasz problem - dla nas teraz horyzont nie istnieje. Jasne, gdyby czarna dziura była zbyt mała, siły grawitacji byłyby znacznie większe, co oznaczałoby dla nas kłopoty. Ale jeśli to olbrzymia czarna dziura, miliony razy bardziej masywna od naszego Słońca, grawitacja nie zrobi nam krzywdy. W zasadzie w przypadku odpowiednio dużej czarnej dziury moglibyśmy spędzić w jej wnętrzu całe życie.
Chwilę wcześniej wspomniałem o zjawisku promieniowania Hawkinga. Kim jest ten pan i czym jest to zjawisko? Współczesna astrofizyka nikomu nie zawdzięcza równie wiele co właśnie jemu - Stephenowi Hawkingowi. Genialny naukowiec i kosmolog podczas niedawnego wykładu na sztokholmskim Królewskim Instytucie Technologicznym wygłosił nową teorię, która jeśli się potwierdzi, może oznaczać absolutny przełom w tym, jak postrzegamy wszechświat. Do tej pory większość naukowego świata była przekonana, że znalezienie się we wnętrzu czarnej dziury oznacza natychmiastowe rozczepienie się materii i jej całkowite zniszczenie, zgodnie z teorią promieniowania Hawkinga, czyli – czarne dziury emitują promieniowanie, a my znajdując się w pobliżu, giniemy. Według nowej teorii Hawkinga jest wręcz przeciwnie - z czarnej dziury da się wrócić! Ale co ciekawsze, bardzo prawdopodobne jest także to, że zamiast do naszego wszechświata, ciało przeniesie się do alternatywnej rzeczywistości... Co więcej, jest dostarczanych coraz to więcej dowodów podpartych naukowo, które mogą świadczyć o prawdziwości tej teorii.
Największym pomocnym odkryciem, które może pomóc nam zrozumieć co się dzieje we wnętrzu czarnej dziury oraz po przejściu przez horyzont zdarzeń jest odkrycie całkowicie nowego zjawiska, które ma niesamowicie istotne zastosowanie praktyczne. Są to fale grawitacyjne. Dotąd niemal wszystko, co wiemy o Wszechświecie pochodzi z obserwacji fal elektromagentycznych – światła widzialnego, ultrafioletu, podczerwieni, promieni gamma czy mikrofal. Tymczasem fale grawitacyjne to inne, równolegle zachodzące zjawisko. Ich obserwacja pozwala zajrzeć w miejsca, których dotąd nie znaliśmy – do wnętrza supernowej czy gwiazdy neutronowej, w której materia jest ściśnięta bardziej, niż w jądrze atomu, pozwali nam na zrozumienie co się stanie po wejściu do czarnej dziury...
Fale grawitacyjne, to pędzące zmarszczki czasoprzestrzeni, na moment zmieniają długość jednego z ramion interferometru o zaledwie jedną miliardową jednej miliardowej metra. To jednak wystarczy, by fale światła z laserów na moment przesunęły się względem siebie i przestały wzajemnie znosić. Promień światła trafia na detektor, a my wiemy, że drgnęła osnowa rzeczywistości. Jednak by detektor wychwycił fale grawitacyjne, musi być odizolowany od innych czynników, które mogłyby zakłócić odczyt – choćby drgań gruntu wywołanych przez jadący gdzieś samochód czy nawet wiejący wiatr. Dlatego cała konstrukcja detektora zrobiona jest z niewiarygodną precyzją, panuje tam głęboka próżnia, a wszystkie elementy są bardzo dokładnie izolowane od wszelkich zakłóceń.
Właśnie takie zaburzenie udało się we wrześniu zeszłego roku zaobserwować w dwóch takich detektorach LIGO, a potwierdzić w europejskim VIRGO. Fala grawitacyjna nadleciała do nas z odległości 1,3 miliarda lat świetlnych i tak zniekształciła czasoprzestrzeń, że przez ułamek sekundy jeden z promieni lasera musiał pokonać większą odległość, niż drugi. Choć fale, które pokonały gigantyczna odległość były już bardzo słabe, to pochodziły z niezwykle silnego źródła. Dawno, dawno temu (1,3 mld lat) w odległej (o 1,3 mld lat świetlnych) galaktyce połączyły się ze sobą dwie czarne dziury, jedna o masie 29, a druga 36 mas Słońca. Utworzyły razem większą czarną dziurę, która miałaby masę 65 Słońc. Miałaby, gdyby nie to, że podczas połączenia masa równa trzem masom Słońca zamieniła się w energię w postaci fal grawitacyjnych. Dopiero 11 lutego 2016 roku międzynarodowy zespół naukowców poinformował o pierwszym w historii zarejestrowaniu fal grawitacyjnych (sygnał GW150914).
Jedyne co teraz pozostaje to wynalezienie sposobu na dokładny przekład informacji, których dostarczają nam fale grawitacyjne. Gdy do tego dojdzie, bardzo możliwe, że będziemy w stanie wykorzystać w odpowiedni sposób czarną dziurę, na początku opanować ich tworzenie i zamykanie, a potem kto wie – bardzo możliwe, że i próby kontrolowanego przez nie przechodzenia. To wszystko, póki co zostaje do interpretacji własnej, jednakże jak miło jest się rozmarzyć, że wizja z filmu „Interstellar” może okazać się prawdą, że człowiek będzie w stanie poruszać się po wszechświecie, wejść i wrócić z wnętrza czarnej dziury.
Michał Białaś
