Z samej swojej nazwy czarne dziury emanują tajemnicą. Są nieobserwowalne, niekontrolowane i - przez ponad 50 lat po ich pierwszej prognozie w 1916 r. - nieodkryte. Od tego czasu astronomowie odkryli ślady czarnych dziur w naszym wszechświecie, w tym supermasywną w centrum naszej Drogi Mlecznej. Jednak wiele pozostaje nieznanych na temat tych kosmicznych zagadek, w tym co dokładnie dzieje się z rzeczami, które zasysają swoją gigantyczną grawitacją.
powiązana zawartość
- Jak astrofizycy znaleźli czarną dziurę, gdzie nikt inny nie mógł
- Astronomowie są bliżsi niż kiedykolwiek do zobaczenia czarnej dziury
- Supermasywne czarne dziury mogą być bardziej powszechne niż wcześniej
Pięćdziesiąt lat temu fizyk John Wheeler pomógł spopularyzować termin „czarna dziura” jako opis zapadniętych pozostałości supermasywnych gwiazd. Według Wheelera, który wymyślił i spopularyzował kilka innych słynnych terminów astronomicznych, takich jak „tunele czasoprzestrzenne”, sugestia wyszła od członka widowni na konferencji astronomicznej, w której przemawiał, po tym jak wielokrotnie używał wyrażenia „obiekty zawalone grawitacyjnie, aby opisać kosmiczne giganci.
„Cóż, po tym, jak użyłem tego zdania cztery lub pięć razy, ktoś na widowni powiedział:„ Dlaczego nie nazwiesz go czarną dziurą ”. Przyjąłem to - powiedział Wheeler powiedział pisarzowi naukowemu Marcii Bartusiak.
Wheeler nazwał pomysł po raz pierwszy zbadany przez Alberta Einsteina 50 lat wcześniej w jego wpływowej teorii ogólnej teorii względności. Teoria Einsteina pokazała, że grawitacja jest wynikiem zniekształcenia przestrzeni i czasu przez masę obiektów. Podczas gdy sam Einstein opierał się kiedykolwiek uznaniu możliwości czarnych dziur, inni fizycy wykorzystali jego prace ziemne, aby wykorzenić galaktyczne potwory. Fizyk J. Robert Oppenheimer, znany z bomby atomowej, nazwał te ciała „zamrożonymi gwiazdami” w nawiązaniu do kluczowej cechy nakreślonej przez fizyka Karla Schwarzschilda wkrótce po opublikowaniu jego teorii przez Einsteina.
Cechą tą był „horyzont zdarzeń”: linia otaczająca czarną dziurę, przez którą niemożliwe staje się ucieczka. Taki horyzont istnieje, ponieważ w pewnej odległości prędkość wymagana dla każdego atomu do oderwania się od grawitacji czarnej dziury staje się większa niż prędkość światła - ograniczenie prędkości wszechświata. Uważa się, że po przekroczeniu horyzontu zdarzeń cała materia, która się w tobie składa, zostaje gwałtownie rozdrobniona przez intensywne siły grawitacyjne i ostatecznie zostaje zmiażdżona do punktu nieskończonej gęstości w centrum czarnej dziury, co nazywa się osobliwością. Niezbyt przyjemna droga.
To szczegółowe wyjaśnienie śmierci przez czarną dziurę jest jednak teoretyczne. Intensywna grawitacja czarnych dziur tak bardzo zniekształca upływ czasu, że obserwatorzy spoza czarnej dziury wydają się zwalniać i „zamarzać” w pobliżu horyzontu zdarzeń, po prostu znikając. (Co brzmi o wiele ładniej.)
Innymi słowy, pomimo znaczenia tego horyzontu zdarzeń, naukowcy nigdy tak naprawdę nie udowodnili jego istnienia. A ze względu na trudność w znalezieniu nawet czarnych dziur (ponieważ światło nie może przed nimi uciec, są one niewidoczne dla większości teleskopów), a tym bardziej ich obserwacji, nie było wielu szans na spróbowanie. Przy braku przekonującego dowodu niektórzy astrofizyk wysnuli teorię, że niektóre obiekty, które nazywamy czarnymi dziurami, mogą się znacznie różnić od tego, w co uwierzyliśmy, bez osobliwości i horyzontu zdarzeń. Zamiast tego mogą być zimnymi, ciemnymi, gęstymi obiektami o twardych powierzchniach.
Ten sceptycyzm wobec czarnej dziury zaczął jednak przyciągać swój sceptycyzm, gdy teleskopy w końcu uchwyciły czarne dziury w akcie czegoś niezwykłego. W ciągu ostatnich siedmiu lat „ludzie zaczęli widzieć gwiazdy wpadające w czarne dziury” - mówi Pawan Kumar, astrofizyk z University of Texas w Austin, gdzie przypadkiem Wheeler przez dziesięć lat uczył fizyki teoretycznej. „To bardzo jasne rzeczy, które można zobaczyć z odległości miliardów lat świetlnych”.
Od tego czasu zaobserwowano więcej tych jasnych, stosunkowo szybkich połykania gwiazd. W ubiegłym roku Kumar zdecydował, że te emisje światła będą dobrym testem na potwierdzenie istnienia horyzontu zdarzeń. „Większość ludzi w społeczności zakładała, że nie ma twardej powierzchni”, mówi Kumar. Podkreśla jednak: „w nauce trzeba być ostrożnym. Potrzebujesz dowodu”.
W 2016 roku Kumar i jego współpracownik Ramesh Narayan z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics pracowali, aby obliczyć, jakiego rodzaju efektów można się spodziewać, gdyby gwiazda pochłonięta przez czarną dziurę rzeczywiście zderzyła się z twardą powierzchnią. Kumar mówi, że byłoby to podobne do roztrzaskania obiektu o skałę, tworząc intensywną energię kinetyczną, która byłaby emitowana jako ciepło i światło przez miesiące, a nawet lata.
Jednak skan danych z teleskopu w ciągu trzech i pół roku nie wykrył żadnego wystąpienia sygnatur świetlnych, które według niego i Narayana zostałyby uwolnione, gdyby gwiazdy uderzyły w czarną dziurę o twardej powierzchni. Na podstawie prawdopodobieństwa naukowcy przewidzieli, że powinni byli znaleźć co najmniej 10 przykładów w tym okresie.
Kumar nazywa to badanie, opublikowane w tym roku w czasopiśmie Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, „dużym krokiem” w kierunku udowodnienia istnienia horyzontu zdarzeń. Ale wciąż nie jest to do końca dowód. Czarna dziura o twardej powierzchni teoretycznie mogłaby nadal istnieć w obliczeniach jego badań. Ale promień tej powierzchni musiałby mieścić się w odległości około milimetra od promienia Schwarzschilda czarnej dziury lub punktu, w którym prędkość niezbędna do uniknięcia grawitacji byłaby równa prędkości światła. (Zauważ, że promień Schwarzschilda nie zawsze jest taki sam jak horyzont zdarzeń, ponieważ inne obiekty gwiezdne również mają grawitację).
„Ograniczenia, jakie ten papier nakłada na promień możliwej stałej powierzchni - 4 tysięczne procent poza promieniem Schwarzschilda dla supermasywnego zwartego obiektu - są imponujące” - mówi Bernard Kelly, astrofizyk z NASA, który nie był zaangażowany w te badania.
Kumar już prowadzi badania w celu jeszcze większego zawężenia tej granicy, do tego stopnia, że prawie na pewno nie będzie możliwe istnienie czarnych dziur o twardej powierzchni. Byłby to dla niego niezawodny dowód, że tradycyjne czarne dziury są jedynym rodzajem czarnych dziur zajmujących nasz wszechświat. „Jeśli zostanie ukończony, moim zdaniem w zasadzie zamknie to pole” - mówi Kumar. „Będziemy mieć mocne dowody, że teoria Einsteina jest słuszna”.
