Historia koncepcji istnienia obiektów, które obecnie nazywamy czarnymi dziurami, sięga XVIII wieku. Wówczas to angielski fizyk, astronom i geolog zasugerował, że skoro grawitacja jest siłą powszechną, to powinno podlegać jej także światło. Niedługo później francuski fizyk, matematyk i astronom Pierre Simon de Laplace wykazał, korzystając z teorii grawitacji Newtona, że jeśli tak rzeczywiście jest, to mogą istnieć obiekty tak masywne i jednocześnie na tyle małe, że światło nie może opuścić ich powierzchni, w wyniku czego nie da się ich zobaczyć. Ta koncepcja uważana jest za najwcześniejszą sugestię istnienia obiektów przypominających dzisiejsze czarne dziury, choć istnieją między nimi pewne znaczące różnice.

Początek XX wieku

W 1915 r. Albert Einstein ogłosił Ogólną Teorię Względności, a już miesiąc (!) później, w grudniu tego samego roku niemiecki fizyk i astronom Karl Schwarzschild podał pierwsze rozwiązanie jej równań pola grawitacyjnego. Rozwiązanie to opisywało pole grawitacyjne wokół i wewnątrz sferycznie symetrycznego, nierotującego ciała. Ze względu na zawiłość owych równań, zadziwiło to samego Einsteina, który nie spodziewał się, że ktoś policzy to tak szybko.

Jeszcze bardziej zadziwiły fizyków właściwości rozwiązania Schwarzschilda. Otóż dla odpowiednio małego i masywnego ciała (zwanego dziś czarną dziurą Schwarzschilda) w pewnej odległości od jego środka ciężkości, a konkretnie w odległości tzw. promienia Schwarzschilda czas… ulega „zamrożeniu”. Ponadto, równie dobrze można pominąć samo ciało niebieskie, zostawiając jedynie jego masę. W efekcie zostaje jedynie niezwykle zakrzywiony, pusty obszar czasoprzestrzeni. Na dodatek, w samym środku owego obszaru znajduje się osobliwość, czyli punkt, w którym prawa fizyki ulegają załamaniu, a krzywizna czasoprzestrzeni staje się nieskończona.

Z wielkim zainteresowaniem przeczytałem Pański artykuł. Nie sądziłem, że można otrzymać dokładne rozwiązanie tego problemu w tak prosty sposób. Bardzo spodobało mi się twoje matematyczne podejście do tematu. W najbliższy czwartek przedstawię tę pracę Akademii z kilkoma słowami wyjaśnienia.

– Albert Einstein do Karla Schwarzschilda

Schwarzschild podał też wzór na promień Schwarzschilda: 2GM/c², gdzie G jest stałą grawitacji, M masą ciała, a c – prędkością światła. Promień Schwarzschilda jest wielkością bardzo małą. Dla ciała o masie Ziemi wynosi niecały 1 cm (rzeczywisty promień Ziemi to ponad 6300 km), a dla ciała o masie Słońca około 3 km (rzeczywisty promień Słońca wynosi prawie 700 000 km). Nie znano i nie wyobrażano sobie wówczas żadnych procesów mogących skompresować materię do tak niewyobrażalnej gęstości. Dlatego przez długi czas większość czołowych naukowców uważała czarne dziury jedynie za matematyczną ciekawostkę, nie zaś za fizycznie istniejące obiekty. Sam Einstein był sceptyczny w tym temacie i przez wiele lat próbował udowodnić, że jego teoria wyklucza istnienie czarnych dziur, oczywiście bez powodzenia. Sam Schwarzschild zmarł pół roku później, w maju 1916 roku.

Na początku XX wieku za stadium końcowe ewolucji wszystkich gwiazd uważane były białe karły, stygnące powoli obiekty o masie Słońca i rozmiarach Ziemi, które własną grawitację równoważyły ciśnieniem gazu elektronowego. Pogląd ten podważył w roku 1930 Subrahmanyan Chandrasekhar, młody indyjski astrofizyk. Podróżując na studia do Anglii, wykorzystując teorię względności, wykonał on obliczenia sugerujące, że istnieje pewna graniczna masa białych karłów, powyżej której ciśnienie gazu elektronowego nie jest w stanie zrównoważyć grawitacji i biały karzeł ulega zapadnięciu grawitacyjnemu. Oszacował tę granicę na 1,4 masy Słońca (obecnie przyjmujemy wartość tylko nieznacznie większą, 1,44 masy Słońca).

Jego obliczenia zostały jednak ostro skrytykowane przez Arthura Eddingtona, najsłynniejszego wówczas astrofizyka, który był zdecydowanie przeciwny możliwości zapadnięcia się jakiegokolwiek ciała do punktu. Eddington miał olbrzymi wpływ na ówczesną astrofizykę, przez jego krytykę obliczenia Chandrasekhara zostały na wiele lat odrzucone i zapomniane. Dopiero ponad 50 lat po swym odkryciu, w 1983 r. Chandrasekhar otrzymał za owe obliczenia Nagrodę Nobla.

Porównanie wynikającego z teorii Chandrasekhara związku masy z promieniem białego karła ze współczesnymi obserwacjami. Przybliżona zgodność obliczeń z obserwacjami jest mocnym argumentem na poprawność teorii.

Dopiero w latach 30. ubiegłego wieku zrozumiano, że jądra bardzo masywnych gwiazd wybuchających w supernowych mogą przetrwać eksplozję i w dalszym ciągu zapadać się grawitacyjnie. W 1939 roku amerykański fizyk Robert Oppenheimer oraz jego doktorant George Volkoff, bazując na wcześniejszych pracach Richarda Tolmana wykazali, że powyżej pewnej granicy masy, zwanej dziś granicą Tolmana-Oppenheimera-Volkoffa lub po prostu granicą TOV nie istnieje już żadna siła, która mogłaby powstrzymać całkowitą zapaść grawitacyjną obiektu. Ich wynik, 0,7 masy Słońca, był daleki od rzeczywistości, niemniej taka granica rzeczywiście istnieje. Bardziej aktualne szacunki dotyczące granicy TOV wyznaczają ją na około 2,5 masy Słońca, aczkolwiek dokładne wyznaczenie tej granicy jest nadal bardzo problematyczne. Niestety, jeszcze w tym samym roku wybuchła druga wojna światowa i Oppenheimer porzucił astrofizykę.

Lata 60.

Jeszcze na początku lat 60. XX wieku większość naukowców uważała czarne dziury (choć ta nazwa powstała dopiero kilka lat później) za obiekty niemogące istnieć w rzeczywistości. Wprawdzie znano już procesy mogące skompresować materię do olbrzymich gęstości, jednak wątpliwości budził fakt, iż rozwiązanie Schwarzschilda obejmowało jedynie obiekty nierotujące i sferycznie symetryczne. To właśnie budziło wątpliwości fizyków, ponieważ wszystkie znane nam ciała niebieskie rotują, nie są też idealnie sferyczne, rozwiązanie Schwarzschilda wymagało więc głębokiej idealizacji.

Jednak w roku 1963 nowozelandzki matematyk Roy Kerr znalazł nowe rozwiązanie równań Einsteina, które uogólniało rozwiązanie Schwarzschilda na obiekty rotujące. Dzieła dopełnił już 2 lata później brytyjski fizyk i matematyk Roger Penrose. Z pomocą samodzielnie stworzonych narzędzi matematycznych wykazał on, że także obiekty, które nie są idealnie sferyczne, będą zapadać się grawitacyjnie. W połączeniu z wcześniejszymi obliczeniami Chandrasekhara, Oppenheimera i Volkoffa stanowi to najmocniejszy teoretyczny dowód na istnienie czarnych dziur, jakim dysponujemy. To właśnie za to dokonanie zeszłoroczny komitet noblowski postanowił uhonorować Penrose’a Nagrodą Nobla z fizyki.

Lata 90.

Jak wiadomo, każdą teorię astronomiczną należy poprzeć obserwacjami. Pierwsze obserwacyjne dowody na istnienie czarnych dziur nadeszły dopiero w latach 90. XX wieku. Wówczas to dwa niezależne zespoły astronomów: europejski pod wodzą Niemca Reinharda Genzela i amerykański kierowany przez Andreę Ghez przyjrzały się orbitom gwiazd krążących wokół centrum naszej galaktyki w niewielkiej odległości od niego i doszły do wniosku, że w centrum Drogi Mlecznej znajduje się „coś” o rozmiarach Układu Słonecznego i masie… 4 milionów Słońc. W związku z tym, że żaden inny obiekt nie mógł mieć podobnych gabarytów, uważa się, że musi to być czarna dziura. To właśnie za to odkrycie Ghez i Genzel zostali przez zeszłoroczny komitet noblowski uhonorowani Nagrodą Nobla z fizyki.

2015

Obserwacje zespołów Genzela i Ghez nie są jedynymi, które potwierdzają istnienie czarnych dziur. Spośród wielu innych wyróżnić należy wykrycie fal grawitacyjnych. Fale grawitacyjne to rozchodzące się z prędkością światła w próżni „zmarszczki” czasoprzestrzeni. Są wprawdzie produkowane przez każde ciało poruszające się z przyspieszeniem, jednakże nasze obecne możliwości pozwalają na wykrywanie jedynie tych najsilniejszych, produkowanych przez ciasne układy podwójne 2 ciał zwartych (2 czarne dziury, czarna dziura i gwiazda neutronowa lub 2 gwiazdy neutronowe), które stopniowo zacieśniają swoje orbity i zderzają się, tworząc jedno masywniejsze ciało. Pierwsza detekcja fal grawitacyjnych nastąpiła w 2015 roku, gdy udało się wykryć zderzenie 2 czarnych dziur o masach odpowiednio 29 i 36 mas Słońca.

Jeden z dwóch detektorów LIGO, które wykryły pierwsze zarejestrowane fale grawitacyjne. Kilkukilometrowe tunele próżniowe, przez które stale przepuszczane są wiązki światła laserowego, ulegają niezauważalnemu wydłużeniu lub skróceniu na skutek przejścia fali grawitacyjnej. Dzięki temu czas ich przebycie przez fotony minimalnie się wydłuża lub skraca, co jest rejestrowane przez superdokładne zegary atomowe.

Autor

Magdalena Pudełko