Eduscience

Eduscience

Czym są czarne dziury, białe dziury, wormhole, tunele czasoprzestrzenne? Czy czarne dziury to mosty łączące różne wszechświaty? Na te i inne pytania jest odpowiedź w tym artykule.

Czym jest czarna dziura?

Gwiazdy, podobnie jak ludzie, rodzą się, dojrzewają i umierają. Posiadają swoje własne życie, przemierzają swoją drogę. Gwiazdy wędrują po tzw. diagramie Hertzsprunga-Russella*, który opisuje ewolucję gwiazdy. Ostatnim etapem ewolucji gwiazdy może być tzw. gwiazda neutronowa o niewyobrażalnie dużej gęstości materii. Gwiazdy neutronowe mają wielkość 10–15 km, posiadając przy tym ogromną masę 1–3 mas Słońca! Aby jednak taka gwiazda mogła istnieć, ciśnienie gazu nukleonów**, które ją tworzą musi przeciwstawiać się grawitacji. Jeśli jest inaczej, wtedy gwiazda zacznie się kurczyć i zapadać. Graniczny promień gwiazdy, poniżej którego przyciąganie grawitacyjne będzie na tyle duże, że gwiazda zacznie się zapadać i ostatecznie nic, nawet światło, nie będzie jej w stanie opuścić nazywa się promieniem Schwarzschilda. Wartość tego promienia wynika z rozwiązania równań ogólnej teorii względności Einsteina. Ponieważ, nawet światło nie możne wydostać się z takiego obiektu, dlatego zwany jest on czarną dziurą. Czarna dziura nie jest bezpośrednio widoczna, jednak można wnioskować o jej istnieniu, ponieważ oddziałuje ona grawitacyjnie. Prawdopodobnie centrum naszej galaktyki stanowi czarna dziura o masie 2,6 miliarda mas Słońca. Zgodnie z ogólną teorię względności masa zakrzywia czasoprzestrzeń. Co więcej, ogromne zakrzywienie czasoprzestrzeni spowalnia upływ czasu. I tak na zewnętrznej powierzchni czarnej dziury zanika upływ czasu. Gdyby zatem dwóch braci bliźniaków poleciało na wycieczkę kosmiczną i jeden z nich doleciał w pobliże czarnej dziury, to okazałoby się po powrocie, że jest młodszy od swojego brata, który trzymał się z dala od czarnej dziury.

Czarna dziura nie jest czarna

Steven Hawking*** udowodnił za pomocą rachunku matematycznego, że czarne dziury nie są aż tak czarne, jak się nam wcześniej wydawało. Okazuje się, że obiekty tego typu emitują tzw. promieniowanie Hawkinga. Ścisły opis tego zjawiska jest niezwykle trudny, lecz możemy posłużyć się pewnym uproszczeniem. Według mechaniki kwantowej próżnia nie jest obiektem pozbawionym cząstek. W próżni istnieje całe morze cząstek wirtualnych, tj. cząstek które mogą potencjalnie tworzyć się (kreować) i znikać (anihilować) na bardzo krótkie chwile. O tym jak krótkie są te chwile, mówi nam zasada nieoznaczoności Heisenberga. Zatem, również na powierzchni czarnej dziury kreują się i anihilują cząstki wirtualne. Może się tak zdarzyć, że jedna cząstka wykreowanej pary cząstek wirtualnych zostanie wchłonięta do wewnątrz czarnej dziury, natomiast druga cząstka zostanie wyemitowana na zewnątrz. Emitowane w ten sposób cząstki tworzą tzw. promieniowanie Hawkinga.

Ogromne czarne dziury

W grudniu 2011 roku naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley donieśli o odkryciu dwóch największych, jak do tej pory, czarnych dziur. Pierwsza z nich ma masę ok 21 miliardów mas Słońca i znajduje się w NGC 4489 – najjaśniejszej galaktyce w Gromadzie Warkocza Bereniki (Coma) – około 335 milionów lat świetlnych**** od nas. Drugi ogromny obiekt, o masie 9,7 miliarda mas Słońca znajduje się w centrum galaktyki NGC 3842 w gromadzie Abell 1367 w gwiazdozbiorze Lwa (czyli około 331 milionów lat świetlnych od Ziemi. Naukowcy wyznaczyli masy tych obiektów na podstawie znajomości prędkości gwiazd orbitujących wokół nich. Im szybciej takie gwiazdy się poruszają, tym większa siła grawitacji, a więc i masa, jest konieczna do utrzymania ich na orbicie. Zadaniem naukowców jest teraz odpowiedź na pytanie, w jaki sposób obiekty te rozrosły się do aż takich rozmiarów. Obecnie zakłada się dwie hipotezy. Pierwsza z nich mówi, że czarne dziury mogą się wzajemnie łączyć, zwiększając swoje rozmiary. Druga hipoteza zakłada, że obiekty rozrosły się poprzez pożeranie ogromnych ilości gazów kosmicznych.

Dziury po robakach

Albert Einstein uważał, że czarne dziury mogą być rodzajem tuneli czasoprzestrzennych, do których materia z jednej strony wpada, a z drugiej z nich wypada. Ten drugi kraniec tunelu nazwał białą dziurą, a sam tunel zyskał nazwę mostu Einsteina-Rosena lub obecnie częściej stosowaną – „wormhole” (z ang. dziura wydrążona przez robaka). Dr Popławski***** uważa, że czarne dziury są rzeczywiście takimi mostami, z tym że łączą nie dwa odległe miejsca w naszej rzeczywistości, ale dwa różne wszechświaty. Jego zdaniem my również żyjemy w czarnej dziurze, której wlot znajduje się w innym wszechświecie. Niezwykle gęsta materia zebrana po tamtej stronie czarnej dziury niejako przelała się do naszego wszechświata, rozszerzając się gwałtownie i przybierając postać Wielkiego Wybuchu. To, co uważamy za Wielki Wybuch, było w rzeczywistości niczym innym, jak utworzeniem się mostu Einsteina-Rosena między dwoma wszechświatami. Aby Ziemia stała się czarną dziurą, należałoby ją ścisnąć do średnicy 1 cm.

* Diagram diagram Hertzsprunga-Russella to zależność jasności gwiazdy od jej temperatury (lub typu widmowego).

** Nukleony to podstawowe elementy tworzące jądro atomu (czyli neutrony i protony).

*** Steven Hawking – brytyjski astrofizyk, kosmolog i matematyk, zajmujący się m.in. czarnymi dziurami i grawitacją kwantową.

**** Rok świetlny – jednostka odległości stosowana w astronomii, odpowiada odległości, jaką pokonuje światło w próżni w ciągu jednego roku kalendarzowego.

***** Nikodem Popławski – fizyk teoretyk pracujący na Indiana University, specjalista w dziedzinie czarnych dziur.


Tekst: dr Jakub Bielecki

Galeria zdjęć