Jasna strona czarnych dziur

Jarosław Chrostowski
Jasna strona czarnych dziur
Nowa Fantastyka 10:37
Są czarne, gęste, trudne do zauważenia i zawsze sieją zniszczenie. Oto obraz czarnych
dziur wykreowany przez literaturę SF i media. Krótko mówiąc: same bzdury.
Zazwyczaj czarne dziury funkcjonują w naszej świadomości jako kwintesencja zła,
wpisanego w prawa fizyki naszego wszechświata. Utkane z samej czasoprzestrzeni, kryją się
w jej zakamarkach, by znienacka zaatakować przelatującą w pobliżu materię, przybierającą
niekiedy – dość pechowo – formę astronauty. Ów obraz czarnych dziur, aczkolwiek dość
romantyczny, jest jednak bardzo uproszczony. Zgadza się z wiedzą naukową, ale tą sprzed
ładnych kilkudziesięciu lat. Współczesna fizyka wyróżnia kilka rodzajów czarnych dziur, z
którymi związane są różnorodne i skomplikowane procesy fizyczne. Ich pobieżne omówienie
wymagałoby całej książki. Z tego powodu medialny stereotyp czarnych dziur spróbujemy
zburzyć za pomocą obiektów tylko jednego typu. Przyjrzymy się władcom czarnych dziur –
gigantom liczącym od setek tysięcy do dziesiątków miliardów mas Słońca. Są to tzw.
supermasywne czarne dziury, oznaczane skrótem SMBH (Supermassive Black Hole).
Śródgalaktyczne monstra
Najbliższa nam supermasywna czarna dziura, Sagittarius A*, znajduje się w jądrze Drogi
Mlecznej, w odległości ok. 26 tysięcy lat świetlnych od Ziemi. Skąd wiemy, jak masywny jest
ów obiekt? W ciągu ostatnich kilkunastu lat astronomowie obserwowali ruch 200 gwiazd w
jego pobliżu. Zarejestrowane zachowanie gwiazd można było wytłumaczyć tylko wtedy,
gdyby w centrum Drogi Mlecznej kryło się monstrum o masie 3,7 ± 0,2 mln mas Słońca. Przy
okazji namierzono rekordzistkę pod względem zbliżenia do Sagittariusa A*: okazała się nią
gwiazda S0-16, która przeleciała zaledwie 45 jednostek astronomicznych od centrum,
poruszając
się
przy
tym
z
zawrotną
prędkością
12
000
km/s!
Materia spadająca na supermasywną czarną dziurę tworzy wokół niej wir, tzw. dysk
akrecyjny. Cząstki tego wiru, przyspieszane niemal do prędkości światła, emitują
promieniowanie o coraz większych energiach i w rezultacie okolica czarnej dziury jest
źródłem olbrzymich dawek promieniowania, zwłaszcza rentgenowskiego. W przestrzeni
kosmicznej źródłem tego promieniowania są m.in. kwazary i jądra aktywnych galaktyk, w
których, jak się przypuszcza, znajdują się właśnie supermasywne czarne dziury.
W porównaniu do innych SMBH, czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej wydaje się dość
spokojna. Niektóre obserwacje astronomiczne sugerują jednak, że w jądrze naszej galaktyki
mogło niedawno dojść do rozerwania i „połknięcia” gwiazdy. Z symulacji komputerowych
wynika, że gdyby czarna dziura rozerwała gwiazdę rozmiarów czerwonego olbrzyma i
wyprodukowała w pobliżu horyzontu dysk akrecyjny, rezultatem byłby intensywny strumień
protonów, poruszających się z prędkościami bliskimi c i emitowanych przez kilka tysięcy lat.
Oddziaływałby on z gęstym gazem w pobliżu, a to prowadziłoby do emisji promieniowania o
energiach rzędu teraelektronowoltów. I takie właśnie źródło promieniowania odkryto
niedawno
w
centrum
Drogi
Mlecznej.
1
Zdolność czarnych dziur do generowania olbrzymich dawek promieniowania wykorzystano
do oszacowania liczby SMBH w obserwowalnej części Wszechświata. Użyto w tym celu
dwóch kosmicznych teleskopów: Chandra i Hubble'a. Ten pierwszy działa w zakresie
rentgenowskim, wyłapuje więc promieniowanie, które powinno być emitowane z dysków
akrecyjnych. Porównanie źródeł emisji rentgenowskiej ze zdjęciami w świetle widzialnym,
wykonanymi za pomocą teleskopu Hubble'a, pozwoliło stwierdzić, że obiekty te w wielu
przypadkach pokrywały się z obrazami odległych o miliardy lat świetlnych galaktyk.
Ponieważ liczbę tych ostatnich potrafimy w miarę ocenić, liczbę supermasywnych czarnych
dziur dostępnych dziś naszym obserwacjom oszacowano na ok. 300 milionów. Przy okazji
stwierdzono, że aby pożreć masę odpowiadającą milionom mas Słońca i zacząć wytwarzać
promieniowanie rentgenowskie, SMBH potrzebuje ok. 700 milionów lat. W skali
geologicznej to może nie mgnienie oka, ale i tak niezbyt długo.
Supermasywną czarną dziurę nietrudno więc dostrzec z odległości nawet miliardów lat
świetlnych. Lecz aktywny obiekt tego typu zaznacza swą obecność nie tylko
promieniowaniem – często wytwarza dwie naprawdę wyraźne „strzałki”. Są nimi tzw. dżety,
czyli strugi materii, wystrzeliwane z okolic biegunów czarnej dziury. Za ich istnienie jest w
zasadzie odpowiedzialne to samo zjawisko, które… pozwala utrzymać równowagę na
rowerze. I tu, i tu mamy do czynienia z momentem pędu. Materia spadająca na czarną dziurę
krąży wokół niej z coraz większymi prędkościami i w rezultacie czarna dziura musiałaby
ciągle zwiększać szybkość wirowania. Tak się jednak nie dzieje. Część materii jest bowiem
transportowana nad horyzontem ku biegunom, skąd następnie zostaje wystrzelona w kosmos
z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła – tak czarna dziura pozbywa się nadmiaru
momentu pędu (gdy więc, czytelniku, następnym razem wsiądziesz na rower, z należytym
respektem
potraktuj
utrzymujące
cię
na
nim
prawa
fizyki).
W rzeczywistości proces powstawania dżetów nie jest jednak aż tak prosty jak tu opisano, bo
zaangażowane jest tu m.in. pole magnetyczne czarnej dziury i wiele różnych oddziaływań.
Można jednak powiedzieć, że supermasywna czarna dziura jest niezwykle efektywnym
„urządzeniem”, zamieniającym ruch obrotowy (materii w dysku) w ruch liniowy (cząstek w
dżetach). Rezultaty tego procesu są imponujące: dżety wystrzeliwane z jądra galaktyki NGC
6251 przez liczącą miliard mas Słońca czarną dziurę mają długość ok. 1,5 miliona lat
świetlnych. W każdą ze stron, co daje strukturę rozciągającą się na 3 miliony lat świetlnych –
dystans ponad dziesięć razy większy od średnicy Drogi Mlecznej!
Cień niewidocznego
Jeśli jakiś obiekt manifestuje swoją obecność na odległościach liczonych w milionach lat
świetlnych, raczej nie można go uważać za trudny do zauważenia. Niestety, widzimy
wówczas nie samą czarną dziurę, a materię z jej najbliższej okolicy. Czy zatem samej
galaktycznej czarnej dziury naprawdę nie widać? Ależ skąd! Świecąca wokół niej materia
tworzy przecież jasne tło i nic nie stoi na przeszkodzie, abyśmy mogli zobaczyć czarną dziurę
– w dokładnie taki sam sposób, w jaki widzimy nasz cień. Astronomowie już dziś szukają
cienia SMBH w Drodze Mlecznej. Próbują tego dokonać za pomocą wielu radioteleskopów,
działających w zakresie fal radiowych o długości milimetra i krótszych, sprzężonych ze sobą
metodami interferencyjnymi. Gwarantuje to uzyskanie dużej rozdzielczości kątowej, która w
powstających instrumentach powoli zbliża się do wymaganej do bezpośredniego
zaobserwowania naszej SMBH. Można zatem przypuszczać, że pierwsza fotografia czarnej
dziury
zostanie
wykonana
w
ciągu
najbliższych
kilku
lat.
2
Supermasywne czarne dziury nie są zatem tak czarne, jakby sugerowała ich nazwa. Odbiegają
od stereotypu także innym parametrem: gęstością. Decydujący o rozmiarach sferycznej
czarnej dziury tzw. promień Schwarzschilda – odległość horyzontu zdarzeń od środka obiektu
– jest wielkością wprost proporcjonalną do masy. Natomiast gęstość jest odwrotnie
proporcjonalna do objętości sferycznej czarnej dziury. Jak wiemy, objętość kuli to także
funkcja promienia, lecz aż w trzeciej potędze. Zatem im większa czarna dziura, tym rzadsza,
bo promień Schwarzschilda rośnie znacznie wolniej od objętości. W rezultacie dostatecznie
szalony przedstawiciel którejś z naprawdę wysoko zaawansowanych cywilizacji mógłby się
pokusić o wykorzystanie zawartości supermasywnych czarnych dziur do… wypełniania
balonów atmosferycznych. Byłoby to – przynajmniej teoretycznie – sensowne, bo gęstość
materii największych czarnych dziur może być mniejsza nawet od gęstości powietrza.
Los astronautów w pobliżu supermasywnej czarnej dziury także nie byłby aż tak niemiły,
jakby się z pozoru wydawało (przynajmniej na początku). W przypadku małej czarnej dziury,
o masie – powiedzmy – 8 mas Słońca, siły pływowe rozerwałyby nas najprawdopodobniej już
w odległości kilkuset km od środka obiektu (horyzont w tym przypadku znajdowałby się w
odległości zaledwie 24 km od centrum). W przypadku SMBH horyzont zdarzeń jest jednakże
w dużej odległości od środka czarnej dziury i siły pływowe działające na załogę nie byłyby
śmiertelne nawet w chwili jego przekraczania. Szacuje się, że zakrzywienie czasoprzestrzeni
przy horyzoncie czarnej dziury w jądrze Drogi Mlecznej jest zaledwie dwadzieścia razy
większe od zakrzywienia czasoprzestrzeni wywołanego obecnością Ziemi, a tego ostatniego
nie jesteśmy przecież nawet w stanie wyczuć. Dopiero później, w pobliżu środka czarnej
dziury, sytuacja astronauty mogłaby się znacznie pogorszyć. Mogłaby, gdyż w zasadzie nikt
nie
wie,
co
napotkamy
pod
horyzontem
czarnej
dziury.
Nie taki władca straszny
Wydawałoby się, że takie monstrum jak SMBH niepodzielnie włada czasoprzestrzenią i nie
ma się czego obawiać. Ponownie dalibyśmy się zwieść pozorom. Supermasywne czarne
dziury tkwią bowiem w jądrach galaktyk, a te – jak wiemy choćby po przykładzie Drogi
Mlecznej – często uczestniczą w kolizjach. W wyniku takiej kolizji SMBH może zostać
wyrzucona z jądra własnej galaktyki. Sporą szansę na bycie takim „czarnym
supersamotnikiem” ma odległy o 3 mld lat świetlnych kwazar HE0450-2958, gigant o masie
400 milionów mas Słońca. Kwazary to w zasadzie jądra wielkich, odległych galaktyk.
Problem w tym, że HE0450-2958 nie ma żadnej galaktyki. W odległości ok. 20 tys. lat
świetlnych od niego znajduje się natomiast galaktyka, w której zachodzą intensywne procesy
formowania gwiazd – efekt, którego należałoby się spodziewać po galaktycznej kolizji.
Wydaje się więc, że ok. 100 milionów lat temu HE0450-2958 została wyrzucona z jądra
macierzystej galaktyki z prędkością ok. 300 km/s, prawdopodobnie wskutek efektu „katapulty
grawitacyjnej” – tego samego mechanizmu, który wykorzystujemy do przyspieszania naszych
sond kosmicznych w polach grawitacyjnych planet (inna, wciąż brana pod uwagę możliwość,
to prowadząca do odrzutu anizotropowa, gwałtowna emisja fal grawitacyjnych przez czarną
dziurę
–
a
więc
naturalny
silnik
grawitacyjny).
3
Najbardziej zaskakującą cechą supermasywnych czarnych dziur jest jednak fakt, że potrafią
sprzyjać nie tylko zniszczeniu, ale również kreacji. W jądrze Drogi Mlecznej odkryto
pierścień jasnych gwiazd o niewielkiej masie, krążących w odległości zaledwie jednego roku
świetlnego od Sagittariusa A*. Obecne analizy pozwalają odrzucić możliwość, że gwiazdy te
przewędrowały w pobliże czarnej dziury z dalszych rejonów (byłby to tzw. scenariusz
migracji). Znacznie bardziej prawdopodobny jest wariant, że gęstość materii w dysku
akrecyjnym jest wystarczająca, aby przezwyciężyć siły pływowe czarnej dziury. W rezultacie
materia kondensuje, prowadząc do narodzin gwiazd. Sagittarius A* nie tylko gwiazdy pożera,
lecz również produkuje – i to w niezłej liczbie, ocenia się bowiem, że w pierścieniu znajduje
się około 10 tysięcy gwiazd. Niektóre z nich podczas zbliżeń do czarnej dziury mogą nawet
dostać „grawitacyjnego kopniaka” i uzyskać prędkość dostatecznie dużą, aby opuścić
galaktykę (prędkość ucieczki z Drogi Mlecznej szacuje się na 300 km/s w odległości 50
kiloparseków od centrum). Odkryto już kilka takich gwiazd, określanych jako HVS
(Hipervelocity Star), poruszających się z prędkościami dochodzącymi do 700 km/s w
odległościach 55-75 kiloparseków od centrum. Mamy więc przekonujące wskazówki, że
Sagittarius A* potrafi rozsiewać gwiazdy nie tylko w obrębie swojej galaktyki, ale także poza
nią.
Siewcy życia
Na tym się nie kończy. Ciepły gaz, unoszący się znad supermasywnych czarnych dziur, może
wywiewać w przestrzeń kosmiczną cięższe pierwiastki, takie jak węgiel czy tlen. Tak
zachowuje się czarna dziura w galaktyce NGC 4051, gdzie źródło materii znajduje się w
odległości zaledwie 2000 promieni Schwarzschilda od centrum SMBH (w tym przypadku jest
to odległość pięciokrotnie większa od odległości Neptuna od Słońca). Z opadającej na czarną
dziurę materii 2-5% ulatuje w kosmos z prędkościami dochodzącymi do 6-7 mln km/h.
Wydmuchiwany z okolic galaktycznych czarnych dziur pył może zawierać nie tylko ciężkie
pierwiastki, ale nawet minerały. Niedawno w otoczeniu kwazara PG2112+059
zaobserwowano ślady sugerujące obecność krystalicznych krzemianów, na Ziemi
występujących zazwyczaj jako składniki piachu czy marmurów (ba, doszukano się nawet
śladu... rubinów!). Materia ta trafia do międzygwiezdnych obłoków, z których z czasem
kondensują
gwiazdy
i
planety.
Okazuje się zatem, że część materii niezbędnej do powstania życia pochodzi nie tylko z
wybuchów supernowych, lecz jest również rezultatem aktywności obiektów do niedawna
kojarzonych wyłącznie z niszczeniem. Wplecione w strukturę czasoprzestrzeni zło okazuje
się
mieć
drugą,
tym
razem
jasną
stronę.
4