7 zagadek i paradoksów czarnych dziur

Wczoraj, 12 maja, astronomowie przedstawili owoc pięciu lat pracy - pierwsze zdjęcie czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki, czyli Drogi Mlecznej. Trzy lata temu, w kwietniu 2019 roku pokazali pierwsze zdjęcie czarnej dziury w historii. Była to supermasywna czarna dziura w galaktyce M87 (zwanej Galaktyką Panny).

Mniejsze czarne dziury powstają w wyniku zapadania się masywnych gwiazd, gdy skończy im się jądrowe paliwo. Większe - o masie milionów gwiazd - w centrach galaktyk. Czarne dziury to obiekty tak masywne, że prędkość ucieczki z ich powierzchni jest większa niż najwyższa możliwa fizycznie prędkość - światła. Stąd też ich nazwa.

Mamy już zdjęcia aż dwóch czarnych dziur, ale kryją w sobie wiele zagadek i paradoksów.

To, co widać na obu zdjęciach czarnych dziur, M87* i Sagittariusa A*, to świecący dysk materii. Przyciąganie czarnej dziury rozpędza ją do takich prędkości, że zaczyna świecić. Nie wszystkie czarne dziury mają rozświetlony dysk - jeśli w pobliżu nie ma materii, to czarnej dziury nie da się zaobserwować.

Próżnia nie jest tak naprawdę pusta. Bezustannie powstają w niej i natychmiast znikają pary cząstek i antycząstek. Jeśli jedna cząstka z pary wpadnie do czarnej dziury, zanim zniknie, druga ma szansę uciec. Ten efekt opisał fizyk Stephen Hawking, a takie promieniowanie czarnych dziur nazwano "promieniowaniem Hawkinga".

W ten sposób czarna dziura może wyparować. Żadna jednak nie zdążyła, to zajmie to wiele razy dłużej niż istnieje Wszechświat.

Fizycy wiele by dali, by móc się tego dowiedzieć. Z równań teorii względności wynika, że w środku czarnej dziury cała masa zajmuje tylko jeden punkt (tak zwana osobliwość). W tym punkcie gęstość jest nieskończona, nieskończona też jest siła przyciągania. To niedobrze, bo w naturze nie ma nieskończoności. Albo czegoś w czarnych dziurach nie rozumiemy, albo równania Einsteina nie są kompletne.

Istnieje wiele teorii, które mają wytłumaczyć to załamywanie się praw fizyki. Niektóre postulują, że czarne dziury są miejscami, skąd materia ucieka do innych wszechświatów. Inne zaś, że zapadanie do nieskończoności zatrzymuje sama czasoprzestrzeń, która zbudowana jest z “cząstek przestrzeni" i nic mniejszych od nich być nie może (czarne dziury miałby wtedy gigantyczną, ale skończoną gęstość).

Polski fizyk Paweł Mazur wraz z amerykańskimi kolegami opracowali teorię, w której materia zajmuje tylko powierzchnię takich obiektów, bo dalsze jej zapadanie zatrzymuje ciemna energia (ta sama, która sprawia, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej).

Czarne dziury zakrzywiają czasoprzestrzeń tak mocno, że widzimy ich przód i tył jednocześnie. Światło wokół czarnej dziury zatacza okrąg. Gdyby stanąć na powierzchni horyzontu zdarzeń, można by obejrzeć swoje własne plecy.

Wokół obracających się czarnych dziur znajduje się obszar nazwany przez fizyków ergosferą. Przestrzeń wiruje tam szybciej niż prędkość światła. Z takiej ergosfery można się wydostać i skraść czarnej dziurze nieco energii jej obrotu. Mogą z tego korzystać zaawansowane technicznie obce cywilizacje - jeśli istnieją.

To także jedna z niewyjaśnionych zagadek. Teoretycznie Wszechświat jest za młody, żeby takie monstra o masie milionów gwiazd mogły powstać w wyniku zderzeń mniejszych czarnych dziur. Fizycy bardzo chcieliby wiedzieć, jak supermasywne czarne dziury, takie jak Sagittarius A*, powstały.

Czarne dziury mogły - a nawet powinny - powstawać w bardzo młodym Wszechświecie, bo materia była w nim niezwykle gęsta. Takie dziury byłyby znacznie mniejsze niż te powstające w wyniku zapadania się gwiazd. Jeśli istniały, większość z nich zdążyła już wyparować (bo emitują promieniowanie Hawkinga).

Większe z nich mogą jednak nadal wypełniać Wszechświat. Niektórzy fizycy spekulują, że ciemna materia, której w kosmosie jest cztery razy więcej niż tej widzialnej, może właśnie składać się z pierwotnych czarnych dziur. Nikt ich jednak jeszcze nie zaobserwował.