Nagroda Nobla 2020 z fizyki: Czarne dziury i sekrety Drogi Mlecznej

Sir Roger Penrose wykazał, że czarne dziury są bezpośrednią konsekwencją ogólnej teorii względności. Fizyk opracował metody matematyczne do opisu tych niezwykłych obiektów, udowadniając, że nic, nawet światło nie jest w stanie uciec tym potworom. Z kolei Reinhard Genzel i Andrea Ghez przewodzili grupie astronomów, którzy na początku lat 90. ubiegłego skupili się na centrum Drogi Mlecznej. Z coraz większą precyzją mapowali orbity najjaśniejszych gwiazd i znaleźli coś, niezwykłego. Obiekt, który zmuszał gwiazdy do wirowania wokół nich. Ta niewidzialna masa przekraczająca 4 mln mas Słońca ściśnięta na obszarze nie większym niż Układ Słoneczny to supermasywna czarna dziura - Sagittarius A*.

Ogólna teoria względności Einsteina przewiduje występowanie tuneli czasoprzestrzennych. Czasoprzestrzeń składa się w nich jak słynna kartka papieru tak często demonstrowana w filmach SF. Tunele wymagają jednak ekstremalnych warunków grawitacyjnych, więc prawdopodobnie znajdują się wokół supermasywnych czarnych dziur.

Naukowcy opracowali metodę wyszukiwania tuneli czasoprzestrzennych w pobliżu Sagittarius A*, supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum Drogi Mlecznej. Jeżeli tunel czasoprzestrzenny istniały wokół Sagittarius A* gwiazdy po jednej stronie korytarza miałyby wpływ grawitacyjny na gwiazdy znajdujące się po drugiej stronie.

Wykrycie niewielkich zmiany w oczekiwanych orbitach gwiazd, takich jak S2 w pobliżu Sagittarius A*, może oznaczać bliskość tunelu czasoprzestrzennego. Obecne metody pomiarowe nie są wystarczająco czułe, aby dostrzec wspomniane zmiany, ale techniki powstałe w ciągu najbliższych dekad mogą okazać się skuteczne.

- Kiedy osiągniemy precyzję potrzebą do naszych obserwacji, możemy być w stanie powiedzieć, że tunel czasoprzestrzenny jest najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem. Ale nie możemy powiedzieć, że "tak, to zdecydowanie tunel czasoprzestrzenny" - powiedział prof. Dejan Stojkovic, kosmolog z Uniwersytetu w Buffalo.

Jest tak, ponieważ inne nieznane ciała niebieskie po naszej stronie tunelu czasoprzestrzennego mogą również oddziaływać grawitacyjnie i powodować zmiany.

Zmieniona trajektoria gwiazdy z powodu tunelu czasoprzestrzennego jest nie do zaobserwowania ze względu na brak dokładności pomiarów. Nawet przy precyzyjnych pomiarach astronomowie mogą mierzyć tylko całkowite przyspieszenie gwiazdy, a nie dodatkowe przyspieszenie spowodowane grawitacyjnym wpływem gwiazdy na drugi koniec hipotetycznego tunelu czasoprzestrzennego.

- Nasza metoda pozwala na obliczenie zmian przyspieszenia wynikających z eliptycznej orbity gwiazdy - powiedział prof. Stojkovic.

Ponieważ przyspieszenie gwiazdy wokół czarnej dziury jest zwykle stałe, zmiana zmierzonego przyspieszenia byłaby "wyraźnym wskazaniem, że istnieje dodatkowe źródło siły grawitacyjnej".

Nawet jeżeli udałoby nam się namierzyć tunel czasoprzestrzenny, wyprawa przez niego może się okazać niemożliwa. Utrzymanie tunelu czasoprzestrzennego otwartego wymaga obecności negatywnej energii, a naukowcy nie wiedzą, jak tego dokonać.

Fizycy Carlo Rovelli i Hal Haggard doszli do takich wniosków analizując teorię Pętlowej Grawitacji Kwantowej, zgodnie z którą czasoprzestrzeń składa się z drobnych pętli, których już nie da się bardziej podzielić. Pętlowa Grawitacja Kwantowa (PGK) to teoria czasoprzestrzeni, która próbuje pogodzić pozornie niepasujące do siebie teorie mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności. Jeżeli PGK jest prawidłowa, to każda czarna dziura w swojej ewolucji powinna osiągać moment, gdy nie skompresuje już więcej materii i w związku z tym dochodzi do czegoś na kształt odbicia. Wewnętrzne ciśnienie indukuje transformację w białą dziurę i powoduje eksplozję. Dzięki temu czarna dziura przemienia się w swoje całkowite przeciwieństwo - zamiast zasysać do wnętrza wszystko łącznie ze światłem, emituje całą zgromadzoną materię i energię w przestrzeń kosmiczną.

Najciekawsze w całej tej teorii jest to, że proces transformacji w białą dziurę miałaby rozpoczynać się tuż po uformowaniu czarnej dziury - tak jak organizm zaczyna starzeć się już od momentu narodzin. W przypadku czarnych dziur, ze względu na grawitacyjną dylatację czasu, informacja o ich zamianie w białą dziurę do nas dotrze dopiero po miliardach lat. Jeżeli założenia są prawidłowe, to dookoła powinno być mnóstwo niewielkich czarnych dziur, gotowych wybuchnąć jak petardy. Wykorzystując zaawansowane aparaty badawcze, powinna być możliwa detekcja tych zjawisk, ze względu na wyrzuty ogromnych ilości promieniowania. Niektóre z supernowych mogą być w istocie białymi dziurami.

Niektórzy fizycy idą krok dalej i twierdzą, że pętla kwantowa pozwala na odbicie się nie tylko czarnej dziury, ale całego wszechświata. Zgodnie z tym założeniem, Wielki Wybuch należałoby nazywać Wielkim Odbiciem. "Poprzedni" wszechświat miałby zapaść się i wybuchając utworzyć "obecny" wszechświat - ten, w którym żyjemy. Mimo iż wydaje się to pomysł abstrakcyjny, może być prawdziwym rozwiązaniem tajemnic wszechświata.

Przyjęcie takiej wersji wydarzeń, rozwiązuje tzw. paradoks informacyjny czarnej dziury, który został opisany przez Stephena Hawkinga w 1976 r. Wynika on z założenia, że czarne dziury tracą masę emitując promieniowanie, tzw. promieniowanie Hawkinga, co wydaje się logiczne, bo w przeciwnym razie czarne dziury zyskiwałyby masę w nieskończoność. Z drugiej strony, jest to sprzeczne z mechaniką kwantową, bo promieniowanie to nie przekazuje żadnej informacji, a zgodnie z podstawowymi prawami fizyki kwantowej, informacja nie może całkowicie zaniknąć.

Teoria francuskich fizyków czeka na matematyczną weryfikację, choć już teraz zarzuca się jej naruszenie zasad entropii. Powszechnie znanym faktem jest dążenie każdego układu (a więc i wszechświata) do uzyskania maksymalnej entropii i osiągnięcia stanu równowagi termodynamicznej. Krytycy istnienia białych dziur zauważają, że ich istnienie prowadziłoby do zmniejszenia entropii. Rovelli i Haggard przekonują, że matematyka przyzna im rację. Zanim to nie nastąpi, w książkach od fizyki czarne dziury cały czas pozostaną "czarne".