Czy uczeni naprawdę odkryli czarne dziury?

BRZMI to niczym fantastyka naukowa — jasne niegdyś gwiazdy zapadają się do wewnątrz pod swym ciężarem, stając się niewidzialnymi obiektami, z których nie może się wydostać nic, nawet światło. Wielu astronomów uważa, iż takie czarne dziury mogą występować we wszechświecie bardzo powszechnie. Czy chciałbyś się dowiedzieć o nich czegoś więcej? Naszą opowieść zacznijmy od pięknej konstelacji nieba północnego zwanej Łabędziem, a po łacinie Cygnus.

Czy Cygnus X-1 jest czarną dziurą?

Pewien obszar w gwiazdozbiorze Łabędzia wzbudza zainteresowanie astronomów już od lat sześćdziesiątych naszego wieku. Dzięki instrumentom astronomicznym umieszczonym na sztucznych satelitach, krążących ponad atmosferą ziemską, odkryto w tym rejonie potężne źródło promieniowania rentgenowskiego, któremu nadano nazwę Cygnus X-1.

Od dawna wiadomo, że im gorętsze jest ciało, tym więcej emitowanej przez nie energii przypada na fale elektromagnetyczne o mniejszej długości, niosące większą energię. Jeżeli do bardzo gorącego pieca włoży się kawałek żelaza, zacznie on świecić, przybierając najpierw barwę czerwoną, potem żółtą, a w końcu białą. Pod tym względem gwiazdy nie różnią się zbytnio od sztabki żelaza. Kolor czerwony mają gwiazdy stosunkowo chłodne, o temperaturze około 3000 K, a na powierzchni gwiazd żółtych, na przykład Słońca, temperatura sięga 6000 K.a Aby jednak otrzymać promieniowanie rentgenowskie, wysyłane przez Cygnusa X-1, trzeba by rozgrzać dany obiekt do milionów kelwinów. Żadna gwiazda nie ma na powierzchni aż tak wysokiej temperatury.

Tam, gdzie odkryto Cygnusa X-1, dostrzeżono też gwiazdę o temperaturze powierzchniowej szacowanej na 30 000 K — co prawda bardzo wysokiej, ale nie na tyle, by powodować emisję promieniowania rentgenowskiego. Gwiazda ta, mająca oznaczenie katalogowe HDE 226868, znajduje się 6000 lat świetlnych od Ziemi, a jej szacunkowa masa około 30 razy przewyższa masę Słońca. Ten nadolbrzym ma towarzysza i obydwa wirują wokół siebie, wykonując jeden obrót w ciągu 5,6 dnia. Obliczono, że odległość między nimi wynosi zaledwie parę milionów kilometrów. Według niektórych opracowań ów towarzysz ma około 10 razy większą masę niż Słońce. Ale co zadziwiające, jest niewidoczny. Każda normalna gwiazda o tak dużej masie położona w podobnej odległości od Ziemi powinna być widoczna. Zdaniem naukowców tak masywny obiekt, zdający się emitować promieniowanie rentgenowskie, lecz niedostrzegalny w świetle widzialnym, jest dobrym kandydatem na czarną dziurę.

Wycieczka do czarnej dziury

Wyobraź sobie, iż wybrałeś się w podróż do Cygnusa X-1. Zakładając, że istotnie jest on czarną dziurą, mógłbyś ujrzeć taki widok, jaki przedstawia ilustracja na stronie 17. Duża gwiazda to HDE 226868. Jej średnicę mierzy się w milionach kilometrów, natomiast średnica czarnej dziury wynosi zaledwie jakieś 60 kilometrów. Ten niewielki, czarny punkt w środku wirującego, rozżarzonego gazu to horyzont zdarzeń, czyli powierzchnia czarnej dziury. Nie jest to jednak powierzchnia materialna — bardziej przypomina cień. Stanowi brzeg obszaru, w którym przyciąganie grawitacyjne czarnej dziury jest tak wielkie, że nawet światło nie może z niego uciec. Wielu uczonych sądzi, że wewnątrz tego obszaru, w środku czarnej dziury, znajduje się punkt o zerowej objętości i nieskończonej gęstości, zwany osobliwością, w którym ginie wszelka materia trafiająca do tej czarnej dziury.

Czarna dziura wchłania w siebie gaz z zewnętrznych warstw jej gwiezdnego towarzysza. Gaz ten wiruje coraz szybciej ruchem spiralnym wokół czarnej dziury, układając się w kształt naleśnika, i rozgrzewa się wskutek tarcia wewnętrznego. Ponieważ pod wpływem ogromnego przyciągania grawitacyjnego osiąga zawrotną prędkość, więc przed powierzchnią czarnej dziury jest już tak nagrzany, iż emituje promieniowanie rentgenowskie. Oczywiście gdy dostanie się do jej wnętrza, wówczas nie może stamtąd wysłać ani promieni Roentgena, ani niczego innego.

Cygnus X-1 stanowi fascynujący widok, ale lepiej się do niego za bardzo nie zbliżać. Zabójcze jest nie tylko promieniowanie rentgenowskie, ale nawet sama grawitacja. Kiedy stoisz na Ziemi, siła grawitacyjna działająca na twą głowę jest odrobinę mniejsza od siły działającej na stopy. Ta różnica jest tak mała, że nie potrafisz jej odczuć. Jednakże w pobliżu Cygnusa X-1 różnica ta byłaby 150 miliardów razy większa, toteż pojawiłaby się siła, która dosłownie rozerwałaby twoje ciało — poczułbyś, jak gdyby niewidzialne ręce ciągnęły twe stopy w jedną stronę, a głowę w przeciwną!

Czy Cygnus A zawiera niezwykle masywną czarną dziurę?

W gwiazdozbiorze Łabędzia istnieje też inny tajemniczy obszar. W świetle widzialnym można w nim dostrzec bardzo nikłą plamkę będącą odległą galaktyką, ale znajduje się tam również jedno z najsilniejszych źródeł promieniowania radiowego na niebie. Nazwano go Cygnusem A i chociaż od jego odkrycia upłynęło już przeszło 50 lat, w dalszym ciągu stanowi zagadkę dla naukowców.

Wprost nie sposób wyobrazić sobie jego ogromu. Cygnus X-1 znajduje się w naszej Galaktyce, kilka tysięcy lat świetlnych stąd, natomiast o Cygnusie A sądzi się, że jest odległy o setki milionów lat świetlnych. Od Cygnusa X-1 do jego widzialnego towarzysza jest około jednej minuty świetlnej, natomiast w Cygnusie A odległość między dwoma obszarami silnego promieniowania radiowego, zasilanymi przez dwie wąskie strugi materii (zwane dżetami), wynosi setki tysięcy lat świetlnych.b W jego środku znajduje się jakiś obiekt, który wyrzuca w przeciwnych kierunkach te potężne strugi już przez setki tysięcy, a może nawet miliony lat; jest to swego rodzaju działo strzelające promieniami kosmicznymi. Szczegółowe mapy radiowe centrum Cygnusa A ukazują, że w porównaniu z wyrzucanymi strugami samo „działo” jest bardzo małe: nie ma nawet miesiąca świetlnego średnicy. Gdyby w tym czasie zmieniało swe ustawienie, strugi byłyby zakrzywione. Tymczasem owe tajemnicze dżety są idealnie proste, jak gdyby wyrzucający je obiekt był utrzymywany w stabilnym położeniu przez jakiś olbrzymi żyroskop.

Jak wyjaśnić to zjawisko? Profesor Kip S. Thorne pisze: „Spośród dziesiątków różnych koncepcji dotyczących natury tego centralnego źródła energii, stworzonych do początku lat osiemdziesiątych, tylko jedna tłumaczy zarówno istnienie tak trwałego i znakomitego żyroskopu o średnicy mniejszej niż miesiąc świetlny, jak i zdolność wyrzucania potężnych dżetów. Tą jedyną koncepcją jest gigantyczna, rotująca czarna dziura”.

Inne hipotetyczne czarne dziury

W roku 1994 za pomocą świeżo naprawionego Kosmicznego Teleskopu Hubble’a przyjrzano się „pobliskiej” galaktyce M87, odległej od nas prawdopodobnie o 50 milionów lat świetlnych. Hubble, mający skorygowaną optykę, wykrył w centrum M87 dysk gazu, który wiruje wokół jakiegoś obiektu z oszałamiającą prędkością dwóch milionów kilometrów na godzinę. Co zmusza gaz do tak szybkiego ruchu? Z obliczeń wynika, że ten obiekt znajdujący się wewnątrz wirującego gazu musi mieć masę co najmniej dwóch miliardów Słońc. A mieści się on w „niewielkiej” przestrzeni o średnicy Układu Słonecznego. Jedynym spełniającym te warunki obiektem, który potrafią sobie wyobrazić uczeni, jest niezwykle masywna czarna dziura.

Kandydatki na czarne dziury zostały już wykryte w centrach wielu pobliskich galaktyk, między innymi w Mgławicy Andromedy, naszej „sąsiadce” odległej mniej więcej o dwa miliony lat świetlnych. Ale gigantyczna czarna dziura może też istnieć znacznie bliżej! Niedawne obserwacje wskazują, że bardzo masywna czarna dziura może się znajdować w centrum naszej galaktyki, Drogi Mlecznej. Jakiś obiekt niewielkich rozmiarów, którego masę szacuje się na 2,4 miliona mas Słońca, sprawia, że gwiazdy położone blisko jej centrum krążą wokół niego z zawrotnymi prędkościami. Fizyk Thorne zauważa: „Dowody gromadzone w latach osiemdziesiątych sugerują, że takie dziury rezydują nie tylko w jądrach większości kwazarów i radiogalaktyk, ale też w jądrach większości zwykłych, dużych galaktyk (nie będących radiogalaktykami), takich jak Droga Mleczna czy Mgławica Andromedy”.

Czy uczeni naprawdę znaleźli czarne dziury? Możliwe, że tak. Niewątpliwie w gwiazdozbiorze Łabędzia oraz w innych rejonach odkryli bardzo dziwne obiekty, które obecnie najłatwiej zinterpretować jako czarne dziury. Niemniej nowe dane mogą podważyć powszechnie uznawane teorie.

Ponad 3500 lat temu Bóg zapytał Hioba: „Czy poznałeś ustawy niebios?” (Hioba 38:33). Pomimo zdumiewającego postępu w nauce pytanie to ciągle pozostaje aktualne. Bo gdy tylko człowiek zaczyna sądzić, że już rozumie wszechświat, pojawiają się nowe, nieoczekiwane odkrycia, które burzą jego starannie zbudowane teorie. Zawsze jednak możemy z podziwem spoglądać na gwiezdne konstelacje i zachwycać się ich pięknem!

[Przypisy]

[Ramka na stronach 16, 17]

Skąd się biorą czarne dziury?

WEDŁUG dzisiejszego stanu wiedzy gwiazdy świecą dzięki nieustannemu zmaganiu się grawitacji z siłami jądrowymi. Gdyby siła grawitacyjna nie ściskała gazu we wnętrzu gwiazdy, nie mogłyby tam zachodzić reakcje termojądrowe. Jeśli zaś te reakcje nie powstrzymają grawitacyjnego zapadania się gwiazdy, mogą się z nią dziać bardzo dziwne rzeczy.

Zdaniem uczonych, gdy gwiazda wielkości Słońca wyczerpie swe nuklearne paliwo w postaci wodoru i helu, grawitacja zgniata pozostały „żużel”, tworząc gorący obiekt wielkości Ziemi, nazywany białym karłem. Chociaż jego masa jest porównywalna z masą Słońca, całość mieści się w objętości milion razy mniejszej.

Zwykłą materię można sobie wyobrażać jako niemal pustą przestrzeń, składa się bowiem z atomów, w których prawie cała masa jest skupiona w niewielkim jądrze otoczonym znacznie większą chmurą elektronów. Ale w trakcie powstawania białego karła siła grawitacyjna stłacza elektrony w dużo mniejszej objętości, wskutek czego gwiazda kurczy się do rozmiarów planety. W gwiazdach wielkości Słońca siła grawitacyjna zostaje w tym momencie zrównoważona przez siły występujące wśród elektronów, co zapobiega dalszej kompresji.

Jaki los spotyka gwiazdy masywniejsze niż Słońce, w których grawitacja działa z jeszcze większą siłą? Jeżeli masa gwiazdy przekracza 1,4 masy Słońca, siła grawitacyjna tak bardzo ściska elektrony, że przestają one istnieć — łączą się z protonami, tworząc neutrony. Te zaś opierają się dalszemu zgniataniu, jeśli tylko siła grawitacyjna nie jest zbyt wielka. Zamiast białego karła wielkości planety powstaje wtedy gwiazda neutronowa o wymiarach małej planetoidy. Gwiazdy takie zawierają najgęstszą znaną materię we wszechświecie.

A co w wypadku jeszcze większej siły grawitacyjnej? Uczeni sądzą, że w gwiazdach o masie mniej więcej trzykrotnie przewyższającej masę Słońca siła ta jest tak olbrzymia, że nawet neutrony nie mogą się jej przeciwstawić. Fizykom nie jest znana żadna forma materii, która mogłaby się oprzeć jej presji. Wydaje się więc, że w takim wypadku ta neutronowa kula o wielkości planetoidy nie przekształca się w jeszcze mniejszą kulę, lecz zostaje sprasowana całkowicie, stając się punktem zwanym osobliwością, lub przybiera jakąś postać nie opisaną jeszcze teoretycznie. Gwiazda najwyraźniej znika, pozostawiając po sobie tylko pole grawitacyjne oraz czarną dziurę, powstałą tam, gdzie ona sama kiedyś była. Czarna dziura to jakby cień po dawnej gwieździe utworzony przez grawitację. Jest to obszar, w którym działa ona z taką siłą, że nic — nawet światło — nie może z niego uciec.

[Ilustracje na stronie 16]

Gwiazdozbiór Łabędzia zawiera między innymi mgławicę Ameryka Północna (1) oraz Mgławicę Włóknistą (2). Cygnus X-1 (3) znajduje się tuż pod szyją łabędzia

Łabędź (Cygnus)

[Prawa własności]

Tony i Daphne Hallas/​Astro Photo

Tony i Daphne Hallas/​Astro Photo

[Ilustracje na stronie 17]

Cygnus X-1 w teorii

Czarne dziury wykrywa się dzięki wpływowi wywieranemu na inne ciała. Na tej ilustracji pokazano, jak czarna dziura wsysa gaz z innej gwiazdy

Artystyczna wizja czarnej dziury (w czerwonym prostokącie) i jej powiększenie (poniżej)

[Prawa własności do ilustracji, strona 14]

Einstein: U.S. National Archives