Czarne dziury to jedne z najbardziej tajemniczych zjawisk w kosmosie – jeśli nie wprost najbardziej tajemnicze. Jednocześnie są też jednymi z najbardziej przerażających. Wszystko bowiem, co do nich wpadnie, już z nich nie wychodzi – nawet światło. Czym więc jest czarna dziura, jak działa, a także czy jakaś może stanowić zagrożenie dla naszej planety?
Czym jest czarna dziura i horyzont zdarzeń?
Ogólnie rzecz biorąc, czarna dziura jest po prostu jednym z masywnych obiektów w przestrzeni kosmicznej, takim jak gwiazdy czy planety. Takie ciało posiada więc masę, czyli w konsekwencji także pole przyciągania grawitacyjnego, oraz określone rozmiary.
Jednak w przeciwieństwie do gwiazd i planet masa czarnej dziury jest nieproporcjonalnie większa przy niezwykle małej objętości. Liczy się ją w masach Słońca, a wiele czarnych dziur osiąga masę miliony razy większą niż masa naszej dziennej gwiazdy! Na przykład czarna dziura w centrum naszej galaktyki zwana Sagittarius A* posiada masę równą aż 4,3 miliona Słońc.
Czarną dziurą nazywamy przede wszystkim szczególną przestrzeń o kształcie sferoidalnym ograniczoną tzw. horyzontem zdarzeń. Można go określić jako umowną granicę czarnej dziury, którą astronomowie obliczają na różne sposoby, w zależności od tego, czy czarna dziura rotuje lub czy posiada ładunek elektryczny. Na przykład w przypadku nierotującej i nienaładowanej czarnej dziury horyzont zdarzeń jest wyznaczany przez tzw. promień Schwarzschilda (lub inaczej, promień grawitacyjny).
Wewnątrz horyzontu zdarzeń grawitacja jest tak silna, że nawet fotony – cząstki osiągające prędkość światła – nie mogą się wydostać na zewnątrz. W rzeczy samej światło i cała materia wchłonięta przez grawitację czarnej dziury wręcz pędzi w kierunku jej centrum grawitacyjnego. Światła, które wleciało do czarnej dziury, już nie zobaczymy – stąd nazwa czarna dziura.
Czym jest osobliwość czarnej dziury?
To centrum czarnej dziury nazywa się osobliwością lub singularnością. Jest to nieskończenie mały punkt, którego gęstość i siła grawitacji również osiągają nieskończoność z powodu nagromadzenia ogromu materii. Tak naprawdę osobliwość jest tak maleńka, że sama czasoprzestrzeń zapada się w niej i załamują się w niej wszystkie prawa fizyki. Tym samym osobliwość jest zjawiskiem z pogranicza ogólnej teorii względności Einsteina i mechaniki kwantowej.
Niestety fizycy jeszcze nie są w stanie pogodzić obu tych teorii, pomimo że sformułowali liczne teorie w ramach tzw. grawitacji kwantowej, np. teorię strun. Dlatego to, co naprawdę zachodzi w osobliwości czarnej dziury, nadal pozostaje dla nas tajemnicą.
Nie jest jednak tajemnicą to, co dzieje się z czasoprzestrzenią na zewnątrz czarnej dziury. Przestrzeń wokół niej staje się mocno zakrzywiona, a im bliżej horyzontu zdarzeń, tym większe jej zakrzywienie. Natomiast czas wokół czarnej dziury gwałtownie spowalnia (gdy obserwujemy region wokół niej z daleka) lub przyspiesza (gdybyśmy sami znajdowali się blisko niej). Wiemy to wszystko dzięki ogólnej teorii względności Einsteina i zdjęciom ukazującym zakrzywienie czasoprzestrzeni w wyniku soczewkowania grawitacyjnego.
Czarne dziury – rodzaje
1. Supermasywne czarne dziury
We Wszechświecie istnieje kilka rodzajów czarnych dziur, zwykle różnią się one rozmiarami. Pierwsze to tzw. supermasywne czarne dziury. Wiele z tego typu obiektów znajduje się w centrach galaktyk. Przykładem jest supermasywna czarna dziura wewnątrz masywnej galaktyki eliptycznej Messier 87, której fotografia dokonana przy użyciu Teleskopu Horyzontu Zdarzeń obiegła świat w 2017 roku.
Również supermasywna czarna dziura Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej doczekała się swego zdjęcia w 2022 roku. Fotografowanie takich czarnych dziur jest możliwe, ponieważ wokół nich krąży gorący dysk akrecyjny, który emituje światło zdolne dotrzeć do nas.
2. Czarne dziury masy pośredniej
Oprócz supermasywnych czarnych dziur istnieją również mniejsze. Należą do nich czarne dziury masy pośredniej, czyli mniejsze niż supermasywne czarne dziury, ale większe niż te pochodzące od gwiazd. Wiadomo o licznych kandydatach na tego rodzaju czarne dziury. Jednak istnienie i powstawanie czarnych dziur tego typu wcale nie jest takie pewne.
Udało się jednak bezpośrednio zaobserwować przynajmniej jedną, która powstała w wyniku zderzenia dwóch mniejszych czarnych dziur o masach 85 i 65 Słońc. Z obu obiektów powstał jeden o masie 141-142 Słońc, natomiast pozostałe 8-9 mas słonecznych zostało wyemitowane jako tzw. fale grawitacyjne.
3. Gwiazdowe czarne dziury
Owe dwie czarne dziury, które się zderzyły, były wcześniej gwiazdowymi czarnymi dziurami. Jeżeli gwiazda zwana czerwonym olbrzymem lub czerwonym nadolbrzymem posiada wystarczającą masę, to pod koniec swego życia wybucha jako supernowa. Wtedy z jądra owej gwiazdy powstaje gwiazda neutronowa.
Gdy jednak przyciąganie grawitacyjne jest tak silne, że pokonuje siły stabilizujące materię byłego jądra gwiazdy, które w innym wypadku stałoby się gwiazdą neutronową, to ta materia zapada się grawitacyjnie w osobliwość (singularność), tworząc czarną dziurę. Jedna z nich o masie 15 Słońc znajduje się w rentgenowskim układzie podwójnym Cygnus X-1, gdzie obiekt ten wysysa materię swojego towarzysza, błękitnego nadolbrzyma HDE 226868.
4. Mikroskopijne i pierwotne czarne dziury
Oprócz makroskopowych czarnych dziur astronomowie przewidują również istnienie ich mikroskopijnych odpowiedników. Miałyby one mieć masę mniejszą niż masa Księżyca i promień mniejszy niż 0,1 mm. Uważa się, że mogły stanowić pozostałość po Wielkim Wybuchu, stąd są czasem zwane pierwotnymi czarnymi dziurami.
Ponadto Stephen Hawking zaproponował istnienie wirtualnych czarnych dziur, które miałyby się pojawiać spontanicznie w wyniku zjawisk kwantowych i natychmiast znikać. Dotychczas jednak nie odkryto żadnej czarnej dziury tego rodzaju.
Czy czarne dziury mogą zagrażać Ziemi?
Niektórzy z nas mogą sobie zadawać pytanie, czy gdzieś w pobliżu nie czai się jakaś niewykryta czarna dziura przemierzająca przestrzeń kosmiczną, która mogłaby zagrozić naszej planecie. Naukowcy uważają, że takie ryzyko zawsze jest możliwe, choć jest ono niezwykle minimalne. Szanse aby jakaś czarna dziura pochłonęła Ziemię w przeciągu całego okresu jej istnienia, ocenia się na 1 do 100 miliardów (0,000000001%). To naprawdę malutko.
Trochę większe szanse są na to, że jakaś czarna dziura spowoduje ogromne pływy oceaniczne na Ziemi, które mogłyby zagrozić życiu – 1 do 10 milionów (0,00001%). Z kolei jeśli chodzi jedynie o naruszenie orbity Ziemi, co nie musi być wcale dla nas katastrofalne, szanse są 1 do 10 tysięcy (0,01%). To oznacza, że szanse na to, że w ciągu całego okresu swego istnienia Ziemia nie natknie się na żadną czarną dziurę, wynoszą co najmniej 9 999 do 10 tysięcy (99,99%).
A co jeśli człowiek sam stworzy mikroskopijną czarną dziurę na przykład w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) należącym do szwajcarskiego CERNu? Obecnie nie jest to możliwe, ponieważ potrzebne są ogromne ilości energii – miliardy razy więcej niż LHC jest w stanie wyprodukować.
A nawet gdyby to się udało zrobić, to taka mikroskopijna czarna dziura o masie np. pół kilograma miałaby horyzont zdarzeń o 1 bilion razy mniejszy niż rozmiar protonu. Taki obiekt szybko straciłby energię i natychmiast rozpłynął się.
A zatem szanse na to, że Ziemia zostanie zniszczona przez jakąkolwiek czarną dziurę są tak niewielkie, że nawet niewarte naszych rozważań. I choć Wszechświat jest pełen czarnych dziur, to śmiało możemy spać spokojnie.
Źródła
- https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole
- https://en.wikipedia.org/wiki/Event_horizon
- https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_singularity
- https://www.chip.pl/2024/01/pierwotna-czarna-dziura-a-orbita-ziemi
- https://bigthink.com/starts-with-a-bang/black-hole-swallow-earth/
- https://www.scientificamerican.com/article/has-anyone-created-a-black-hole-on-earth/
Grafika na górze dla ilustracji. © Źródło: Adobe Stock. Autor: Quality Stock Arts.
