Niezgłębiona zagadka czarnych dziur

Intrygują fizyków od dekad. Są spowite subtelną zasłoną tajemniczości: niegdyś powątpiewano w ich istnienie, dziś dyskutuje się o tym, co skrywają w swym wnętrzu (o ile tak można w ogóle powiedzieć)

Wie­le razy w swo­ich arty­ku­łach poru­sza­łem temat ogól­nej teo­rii względ­no­ści (OTW), zagad­nień cza­so­prze­strze­ni czy ewo­lu­cji gwiazd (patrz: NŚ 9/2021, 11/2021, 6/2022). I w tym arty­ku­le odnio­sę się do tych kwe­stii, ale nie będę wszyst­kie­go przy­po­mi­nać – pole­cam się­gnąć do wymie­nio­nych odcin­ków Okru­chów Wszechświata.

Osobliwość w fizyce

Pra­wie od począt­ku ist­nie­nia kosmo­lo­gii rela­ty­wi­stycz­nej poję­cie oso­bli­wo­ści było tema­tem spo­rów. Rów­na­nia OTW Ein­ste­ina upar­cie wska­zy­wa­ły na ist­nie­nie sta­nu oso­bli­we­go u począt­ku obec­nej fazy kosmicz­nej ewo­lu­cji, jed­nak z dru­giej stro­ny, fizy­cy bro­nią się przed przy­ję­ciem takich sytu­acji, w któ­rych stwo­rzo­ne przez nich pra­wa prze­sta­ły­by obo­wią­zy­wać. I stan oso­bli­wy taką wła­śnie sytu­acją jest.

PRZECZYTAJ TAKŻE

Rozbłyśnięcie światła w duszy

Nieziemska pogoda

Na począt­ku lat 60. XX w. pro­blem się zaognił: sta­ło się jasne, że wid­mo oso­bli­wo­ści poja­wia się nie tyl­ko na począt­ku Wszech­świa­ta, ale też na koń­cu ewo­lu­cji masyw­nych gwiazd. Jak pisał w mono­gra­fii Wiel­ko­ska­lo­wa Struk­tu­ra Cza­so­prze­strze­ni Ste­phen Haw­king: Eks­pan­sja Wszech­świa­ta jest pod wie­lo­ma wzglę­da­mi podob­na do kolap­su gwiaz­dy, z wyjąt­kiem tego, że w obu tych pro­ce­sach czas jest odwrócony.

Czym są czarne dziury?

W OTW gra­wi­ta­cja jest skut­kiem zakrzy­wie­nia cza­so­prze­strze­ni przez masyw­ne obiek­ty, takie jak gwiaz­dy. Pla­ne­ty krą­żą wokół gwiaz­dy w efek­cie tego, że ich tor ruchu jest przez gwiaz­dę zakrzy­wio­ny wraz z prze­strze­nią. Gdy­by gwiaz­da znik­nę­ła, krzy­wi­zna lokal­nej cza­so­prze­strze­ni by się zni­we­lo­wa­ła, a tor ruchu pla­ne­ty stał­by się linią pro­stą. Wraz z rosną­cą masą obiek­tu, rośnie też zakrzy­wie­nie cza­so­prze­strze­ni, a jeśli dosta­tecz­nie cięż­ka gwiaz­da (daj­my na to 30 razy cięż­sza od Słoń­ca) wypa­li swo­je pali­wo i będzie zapa­dać się pod swo­im cię­ża­rem, oka­że się wte­dy, że pro­ces kolap­su prze­kro­czy gra­ni­cę zwa­ną sfe­rą Schwarz­schil­da, za któ­rą wszel­ki odwrót zosta­je odcię­ty, nawet pro­mie­nie świetl­ne wysy­ła­ne przez gwiaz­dę zosta­ną zawró­co­ne ku jej powierzch­ni przez nad­zwy­czaj sil­ne (i cią­gle w mia­rę zapa­da­nia się wzra­sta­ją­ce) pole gra­wi­ta­cyj­ne. Dla obser­wa­to­ra pozo­sta­ją­ce­go na zewnątrz sfe­ry Schwarz­schil­da, wszyst­ko to, co jest pod nią, sta­je się nie­wi­dzial­ne – stąd nazwa czar­na dziu­ra.

Ina­czej rzecz ujmu­jąc, kur­czą­ca się, masyw­na gwiaz­da gro­ma­dzi w rela­tyw­nie nie­wiel­kiej obję­to­ści na tyle dużą masę, że w pew­nym momen­cie jej gra­wi­ta­cja spra­wia, iż zapa­da się ona coraz bar­dziej gwał­tow­nie, przy­spie­sza­jąc i potę­gu­jąc pro­ces. Ist­nie­je jed­nak pewien moment, kie­dy pro­mień krzy­wi­zny cza­so­prze­strze­ni się­ga 10^-33 cm a odpo­wia­da­ją­ca mu gęstość mate­rii to 10⁹⁴ g/cm³ – to tak, jak­by­śmy jeden cen­ty­metr podzie­li­li przez licz­bę 1 z 33 zera­mi, nato­miast jeden gram pomno­ży­li przez licz­bę 1 z 94 zera­mi i umie­ści­li w obję­to­ści cen­ty­me­tra sze­ścien­ne­go. Po prze­kro­cze­niu tych war­to­ści gwiaz­da zapa­da się dalej, w nie­skoń­czo­ność, i do dzi­siaj nikt nie wie, co tak napraw­dę dzie­je się we wnę­trzu czar­nej dziu­ry, gdzie jej obję­tość osią­ga roz­mia­ry punk­tu, a masa i gra­wi­ta­cja nie­skoń­czo­ność. Jest to oso­bli­wość, w któ­rej zna­ne pra­wa fizy­ki oraz OTW prze­sta­ją funk­cjo­no­wać na rzecz kwan­to­wych efek­tów gra­wi­ta­cyj­nych. Z kolei zaś, kwan­to­wa teo­ria gra­wi­ta­cji nie zosta­ła jak dotąd opra­co­wa­na w spo­sób kom­plet­ny i popraw­ny, co sta­no­wi wyzwa­nie i dro­gę współ­cze­snej kosmo­lo­gii i fizy­ki teoretycznej.