Jak się żyje w czarnej dziurze?Piotr Cieśliński (fizyk)
Nie wskakuj do osobliwości, bo grawitacja zrobi z ciebie miazgę. I zabierz kostium kąpielowy, może być gorąco. Przygotuj się też na kłopoty z parkingiem, no i nie zapomnij kamery: widoki będą boskie!
Tysiące ochotników ostatnio zgłosiło się do lotu na Marsa z biletem tylko w jedną stronę. Mam lepszą propozycję: wyprawę do wnętrza czarnej dziury. To najbardziej egzotyczne ze wszystkich miejsc we Wszechświecie. Stamtąd także nie ma powrotu i także może nas czekać nowe życie, ba, nawet cały nowy kosmos! Albo... okrutna śmierć.
Pewności nie ma, ale prawdziwych odkrywców nie powinno to bardzo zniechęcać. W epoce wielkich odkryć geograficznych Ferdynand Magellan z towarzyszami wyruszył w drogę dookoła świata także bez wielkich szans na to, że wróci.
Chcesz się zaokrętować? Powiemy ci, jak się przygotować do takiej podróży.
Czy mogę zajrzeć do czarnej dziury?
Możesz, ale już się z niej nie wydostaniesz. Współczesna fizyka nie pozostawia złudzeń - czarna dziura nigdy cię nie wypuści ani nie zdołasz przekazać na zewnątrz żadnej informacji, bo zarówno światło, jak i fale radiowe nie są w stanie z niej uciec. To, co tam zobaczysz, pozostanie więc na zawsze twoją tajemnicą.
Czego się mogę spodziewać?
Czarna dziura jest otoczona krawędzią (fizycy nazywają ją horyzontem), poza którą przestrzeń i czas zostają zawinięte w coś, co przypomina długi lejek. Na samym jego końcu znajduje się punkt o nieskończonej gęstości, zwany osobliwością, do którego została ściśnięta cała materia, i gdzie czas oraz przestrzeń rozpadają się na kwanty. Ale to tylko czcze spekulacje, bo nie znamy jeszcze kwantowej teorii grawitacji, więc nie wiemy, jak ta studnia wygląda i dokąd tak naprawdę prowadzi.
Kiedyś wydawało się, że śmiałek, który wskoczy do czarnej dziury, nie uniknie wciągnięcia do osobliwości, gdzie grawitacja zrobi z niego miazgę. Ale trzy lata temu Wiaczesław Dokuczajew, fizyk z Instytutu Badań Jądrowych Rosyjskiej Akademii Nauk w Moskwie, opublikował wyliczenia, które dają nadzieję na to, że we wnętrzu czarnej dziury niekoniecznie czekać nas będzie marny los. Wynika z nich, że za horyzontem wirującej lub naładowanej elektrycznie czarnej dziury znajdują się stabilne orbity. Jeśli trafimy na jedną z nich, to będziemy się poruszać wokół straszliwej osobliwości, ale na nią nie spadniemy. Tak jak Ziemia krąży wokół Słońca z dala od jego wrzącej plazmy.
Jedyna różnica jest taka, że orbity za horyzontem czarnej dziury nie są kołowe ani eliptyczne, przypominają raczej skomplikowaną rozetę. Przy tym im większa czarna dziura, tym lepiej. Jest więcej miejsca dla takich orbit, a poza tym "rozwałkowujące na ciasto" grawitacyjne siły pływowe nie są już tak dotkliwe. W supermasywnych czarnych dziurach, które mają masę miliony, a czasem miliardy razy większą niż nasze Słońce, grawitacja osobliwości byłaby praktycznie nieodczuwalna dla ludzi.
Jak daleko muszę jechać?
Przygotuj się na długą podróż, bo ani w Układzie Słonecznym, ani w jego sąsiedztwie żadnych dziur raczej nie ma.
Najbliższa znana nam znajduje się w gwiazdozbiorze Łabędzia - w odległości aż 6 tys. lat świetlnych. Ale tej nie polecamy, bo otacza ją wir materii, która "przelewa" się przez jej krawędź niczym woda wpadająca do odpływu na dnie wanny.
W tym wirze materia trze i rozgrzewa się do milionów stopni, emitując wszystkie możliwe typy promieniowania - radiowe, podczerwone, widzialne, ultrafioletowe, ale przede wszystkim bardzo energetyczne i przenikliwe fale rentgenowskie. Z powodu niezdrowego promieniowania lepiej więc trzymać się od takich wirów z daleka.
Inna czarna dziura - gigantyczna, o masie 4 mln razy większej niż Słońca - znajduje się w centrum Drogi Mlecznej. To także daleko - 25-30 tys. lat świetlnych stąd. Ona też od czasu do czasu pochłania materię, ale jest dużo spokojniejsza niż jej żarłoczne kuzynki, które siedzą w centrach innych galaktyk i wciągają materię tak łapczywie, że otaczające je wiry przyćmiewają blaskiem całą galaktykę z jej miliardami gwiazd.
Po czym poznać, dokąd się kierować? Jak ją namierzyć?
Na wycieczkę poznawczą trzeba wybrać dziurę samotną, która nie będzie zasysała gazu z towarzyszącej jej gwiazdy (lub gwiazd) i nie będzie otoczona wirem rozgrzanej i promieniującej plazmy. Tylko jak ją znaleźć? Bez jasnego wiru materii będzie się zupełnie zlewała z czarnym tłem kosmosu.
Ale jest na to sposób. Czarna dziura ma potężną grawitację, która zakrzywia przechodzące w pobliżu promienie świetlne. Jeśli więc znajdzie się na tle jasnej galaktyki lub grupy gwiazd, to skupi ich światło niczym soczewka powiększająca, a bywa, że podwoi lub potroi obraz gwiazd jak w kalejdoskopie.
Przygotuj sprzęt foto, bo będą nieziemskie widoki
Gdy się zbliżymy, zakrzywienie promieni świetlnych może dać cudowny efekt. Ostatnio na potrzeby filmu "Interstellar" naukowcy przeprowadzili najbardziej do tej pory realistyczną symulację czarnej dziury.
Okazuje się, że światło wykonuje wokół niej wprost dziki taniec.
W zależności od kierunku i kąta padania promienie mogą się poruszać po różnych trajektoriach, niektóre zatoczą jeden łuk i wrócą jak bumerang, inne się "nawiną" na czarną dziurę niczym nić na szpulkę, a potem oddalą z powrotem w daleki kosmos. Grawitacja zmienia częstość światła, czyli także barwę. Filmową Gargantuę otaczają zjawiskowe świetlne pierścienie, a w rzeczywistości widoki mogą być jeszcze bardziej bajeczne.
Jak ciepło trzeba się ubrać?
To zależy od rozmiaru dziury. Paradoksalnie te niewielkie są cieplejsze niż olbrzymie. Stephen Hawking odkrył, że temperatura czarnej dziury jest tym większa, im mniejsza jest jej masa. Typowa czarna dziura, która powstała po wypaleniu się gwiazdy 10 razy cięższej niż Słońce (tzw. gwiazdowa dziura), jest lodowato zimna, dużo chłodniejsza od próżni kosmicznej. Ma temperaturę ledwie jedną milionową stopnia powyżej zera absolutnego, więc jej promieniowanie cieplne (tzw. promieniowanie Hawkinga) jest niezauważalne.
Ale temperatura czarnej dziury wielkości jądra atomowego wynosi... aż miliard stopni! Taka mikroskopijna dziura mocno więc promieniuje, traci energię i się kurczy, co sprawia, że jej temperatura jeszcze bardziej wzrasta. Ten proces w ostatniej fazie jest lawinowy i wybuchowy. W chwili agonii czarna dziura powinna znikać w eksplozji przenikliwego promieniowania gamma (choć wciąż trwają dyskusje, czy znika całkowicie czy też jakiś "ogryzek" po niej zostaje).
Oczywiście, raczej nie jest wskazane zbliżanie się do takich rozgrzanych do białości i promieniujących maleńkich dziur. Na razie w ogóle nie wiadomo, czy takie istnieją. Według niektórych hipotez mogły narodzić się we wczesnym Wszechświecie i jeśli miały odpowiednią masę - przetrwać do dzisiaj. Gdyby się udało znaleźć choć jedną z nich, byłaby niezłym generatorem energii. Taka mała czarna dziura o promieniu mniejszym od atomu, która ma masę miliarda ton (mniej więcej tyle co góra taka jak Mount Everest), może emitować promienie gamma z mocą 10 gigawatów przez miliardy lat. Ale nikt ich jeszcze nie wykrył, choć z łatwością zarejestrowalibyśmy ich promieniowanie, gdyby zbliżyły się do Układu Słonecznego.
Wybierz większą dziurę, żeby cię nie rozerwało
Wielką przeszkodą na drodze do wnętrza czarnej dziury są tzw. siły pływowe, podobne do tych, które wywołują na Ziemi przypływy i odpływy oceanów, tyle że miliardy razy większe. To skutek potężnej grawitacji. Gdy bowiem zbliżamy się do krawędzi dziury, to narasta różnica sił, z jaką przyciągane są różne części twojego ciała. Jeśli lecisz głową do przodu - to jest ona przyciągana silniej niż położone nieco dalej stopy. W pewnej odległości różnica sił stanie się tak wielka, że cię rozerwie. Rozerwana zostanie także twoja rakieta, a potem nawet pojedyncze atomy. To siły pływowe rozbijają gwiazdy, miażdżą i niszczą materię, która wpada do czarnej dziury. Fizycy określają to mianem spagettyzacji, bo grawitacja traktuje materię jak ciasto - wszystko rozwałkowywuje i zgniata. Człowiek nie jest w stanie przeżyć zbliżenia do krawędzi czarnej dziury, która ma masę mniejszą niż tysiąc mas Słońca. Tylko do większych dziur da się blisko podlecieć, bo mają większy horyzont i siły pływowe osiągają śmiertelną wartość dopiero daleko za horyzontem.
Skąd wiem, że dotarłem na miejsce? I gdzie znaleźć parking?
Jeśli klasyczna teoria względności Einsteina się nie myli, to horyzont niczym szczególnym się nie wyróżnia, nie wykryjemy go żadnym przyrządem. Jeśli więc jeszcze się wahasz, czy wskoczyć do środka, bardzo uważaj - nic cię nie ostrzeże.
W celach krajoznawczych lub badawczych najwygodniej byłoby po prostu zaparkować na orbicie wokół czarnej dziury. Ale nie wszędzie jest to możliwe. W pobliżu krawędzi orbity nie są stabilne. Najmniejsze zaburzenie (np. nieostrożny manewr) może nas zepchnąć do środka. Obszar niestabilności rozciąga się na odległość trzech promieni czarnej dziury.
Sygnałem, że zbliżasz się w rejony bez powrotu, będą coraz bardziej zdeformowane obrazy nieba. Zakrzywienie czasoprzestrzeni stanie się tak duże, że promienie świetlne bardzo mocno się tam ugną i przed sobą możesz zobaczyć gwiazdy, które masz za plecami. W odległości półtora promienia światło tak się zakrzywia, że zostaje całkowicie uwięzione na orbicie wokół czarnej dziury! Gdy tam się zapędzisz, to patrząc prosto przed siebie, zobaczysz własne plecy.
Wtedy może cię uratować tylko manewr, który niegdyś opracował brytyjski astrofizyk Roger Penrose. Dzięki niemu wytrawni podróżnicy i - co tu ukrywać - ryzykanci mogą dotrzeć niemal do samego horyzontu dużej wirującej czarnej dziury i jeszcze stamtąd wrócić. Trzeba zbliżyć się rakietą w kierunku zgodnym z ruchem wiru grawitacyjnego, a w bezpośrednim sąsiedztwie horyzontu włączyć silniki i ustawić ją tak, aby gazy odrzutowe wpadały do czarnej dziury. Wówczas rakieta ulegnie przyspieszeniu i zostanie wyrzucona z ogromną prędkością, jak z grawitacyjnej procy. Oddali się, zabierając część energii obrotowej czarnej dziury, która wskutek tego nieco zwolni.
Być może na wyższym poziomie rozwoju naszej cywilizacji w ten sposób nauczymy się czerpać energię z czarnych dziur.
Uwaga na fale grawitacyjne
U celu podróży zawsze musisz strzec się fal grawitacyjnych, które powstają, gdy do czarnej dziury wpadnie jakaś większa masa. Efekt przypomina rzucenie kamienia do wody - z prędkością światła rozbiegają się koncentryczne zmarszczki czasoprzestrzeni. Blisko horyzontu są one wyjątkowo silne, mogą nadwyrężyć konstrukcję statku, a przede wszystkim twoje ciało.
Czy w pakiecie są zabiegi odmładzające?
Silna grawitacja spowalnia bieg czasu. Z punktu widzenia odległych obserwatorów na horyzoncie czarnej dziury czas się całkowicie zatrzymuje. Naiwni sądzą, że zamieszkanie na orbicie czarnej dziury jest dobrym sposobem na wydłużenie życia. Niestety, nie jest to prawda, bo to spowolnienie biegu czasu jest odczuwalne tylko dla tych, którzy pozostają na Ziemi. Dla ciebie - jeśli zaparkujesz przy czarnej dziurze - sekundy, minuty, dni i lata mijają tak jak zwykle. Tyle że wydarzenia na dalekiej Ziemi zaczynają biec w przyspieszonym tempie. Po powrocie z rocznego pobytu nad horyzontem czarnej dziury może się okazać, że na Ziemi upłynęły w tym czasie już setki, a nawet tysiące lat.
Nocleg na parkingu przy czarnej dziurze nie jest więc najlepszym sposobem na osiągnięcie nieśmiertelności, ale - dodajmy na pocieszenie - to na pewno dobra metoda na podróż w daleką przyszłość.
A może osiedlić się tam na stałe? Czy można żyć w czarnej dziurze?
Nie jest to wykluczone. Wiaczesław Dokuczajew w swojej pracy sugeruje nawet, że wysoko rozwinięte cywilizacje mogą świadomie wybierać życie na orbitach ukrytych w czarnej dziurze. - Centralna osobliwość to źródło wiecznej energii - mówi fizyk. - Taka cywilizacja nie musiałaby już szukać innego schronienia, co prędzej czy później staje się koniecznością, jeśli mieszka się przy zwykłej gwieździe, która się z czasem wypala. Poza tym do czarnej dziury wpada mnóstwo skarbów - zasoby naturalne, które można wykorzystywać.
Wchodzą też w grę kwestie bezpieczeństwa. Żyjąca we wnętrzu czarnej dziury cywilizacja nie może być podglądana z zewnątrz. Sama jednak zawczasu dostrzeże zbliżającego się wroga.
Anatomia czarnej dziury. Behemoty i maleństwa
Jedno z podstawowych praw w zakresie czarnych dziur mówi, że one "nie mają włosów". Naprawdę, nie żartuję! Ten termin wymyślił amerykański fizyk John Wheeler, a miał na myśli to, że gdy patrzymy na czarne dziury, to nic, żaden włosek, nie zdradza tego, co wpadło do środka. Czarne dziury są jak faceci w czerni - wszystkie takie same. To znaczy - prawie takie same. Są trzy cechy, które odróżniają jedną dziurę od drugiej: masa, prędkość obrotowa i ładunek elektryczny. Z daleka najłatwiej poznać je po masie. Im większa, tym większy horyzont. Ze względu na kategorię wagową można je podzielić na kilka podstawowych gatunków, z których tylko dwa pierwsze zostały z całą pewnością dotychczas zaobserwowane:
1. Supermasywne behemoty. Siedzą w centrach galaktyk i mają masę od miliona do wielu miliardów razy większą niż masa naszego Słońca. Najbliższa z nich drzemie sobie w środku Drogi Mlecznej, ok. 25 tys. lat świetlnych od Ziemi, i waży 4 mln razy więcej niż Słońce. Ostatnio przez teleskop wypatrzono wielki obłok gazu - prawdopodobnie pochodzący z rozerwanej na strzępy gwiazdy - który zbliża się ruchem spiralnym do jej horyzontu i lada chwila wpadnie do środka. Największa z odkrytych do tej pory czarnych dziur swoją masą aż 12 mld razy przewyższa Słońce! Nazywa się J0100+2802 i leży, na szczęście, bardzo daleko - dzieli nas od niej 12,8 mld lat świetlnych. Gdyby siedziała w miejscu Słońca, jej horyzont sięgałby kilka razy dalej niż orbita najdalszej planety, czyli Neptuna.
2. Dziury gwiazdowe. Mają masę od trzech do stu mas Słońca i powstały po wypaleniu się oraz zapadnięciu bardzo masywnych gwiazd. Wedle ostrożnych szacunków na każde 10 tys. gwiazd przypada jedna taka dziura. To oznacza, że tylko nasza galaktyka zawiera co najmniej 20-40 mln gwiazdowych dziur.
3. Czarne dziury wagi średniej - dużo większe niż gwiazdowe, lecz wciąż maciupkie wobec olbrzymich supermasywnych behemotów. Astrofizycy wciąż na nie polują. Niedawno poinformowali, że znaleźli pierwszego kandydata na taką dziurę: najjaśniejsze źródło promieniowania rentgenowskiego w galaktyce M82, oznaczone przez X-1. Jeśli to rzeczywiście jest czarna dziura, to ma masę 400 słońc i otoczona jest gorącym, promieniującym wirem.
4. Pierwotne czarne dziury. To maleństwa, których tusza może jednak budzić szacunek, bo jest porównywalna z masą masywu Mount Everest. Średnica ich horyzontu nie przekracza jednak nanometra (miliardowej części metra), a więc mają mniej więcej rozmiar atomu. Podejrzewa się, że takie dziury mogły powstawać w gorących chwilach tuż po Wielkim Wybuchu i być może niektóre przetrwały do dziś (tj. nie zdążyły wyparować bez śladu). Nikt ich jednak jeszcze nie spotkał.
5. Elementarne czarne dziury - to najbardziej mikroskopowy i ulotny gatunek. Ich rozmiary są małe nawet w skali atomowej: miliony razy mniejsze niż średnica jądra atomowego. Według niektórych teorii tego typu dziury mogą się tworzyć w zderzeniach cząstek elementarnych w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w ośrodku CERN pod Genewą. Byli tacy, którzy obawiali się, że wyprodukowana w nim czarna dziura, choć mała, okaże się żarłoczna - zacznie rozrywać i zjadać okoliczne atomy, połknie Genewę, Szwajcarię, a potem cały świat. Dyrekcja CERN powołała nawet zespół ekspertów, który miał ocenić, czy taki scenariusz może się spełnić. Najwybitniejsi specjaliści od fizyki wysokich energii uspokajali opinię publiczną, że miniaturowe czarne dziury, które mogłyby powstać w ziemskich akceleratorach, byłyby niegroźne. Żyłyby niesłychanie krótko, wyparowując w ułamku sekundy. W ziemskiej atmosferze codziennie dochodzi do setek tysięcy kolizji z udziałem kosmicznych jonów, protonów i elektronów mających o wiele większe energie niż te osiągane w największych nawet laboratoriach. Gdyby więc czarny scenariusz z czarną dziurą w roli głównej był możliwy, to już by się ziścił.
Błądzące widma dysku
Przestrzeń jest tak mocno zakrzywiona w pobliżu horyzontu, że obraz płaskiego dysku zostaje zwielokrotniony i pojawia się zarówno nad, jak i pod czarną dziurą
Dysk akrecyjny
Wpadająca do czarnej dziury materia tworzy wir obracający się niemal z prędkością światła. Siła odśrodkowa rozpłaszcza go jak naleśnik. Rozpędzane cząsteczki gazu świecą i wir zamienia się w gigantyczną neonówkę (Red )
* Fizyk matematyczny, szef Działu Nauki
http://wyborcza.pl/1,145452,18079247,Ja ... urze_.html