Wydawałoby się, że od drugiej połowy XX wieku mamy wielki postęp w poznawaniu Wszechświata. Poznajemy gwiazdy i ich systemy planetarne, galaktyki i ich gromady, a nawet niemal początki Wszechświata. Niemal, bo jak naprawdę przebiegał jego początek nie dowiemy się chyba nigdy. W naszej wiedzy o Wszechświecie istnieją jednak ogromne dziury. Użyłem terminu „dziury”, bo pasuje „jak ulał” do teorii czarnych dziur, którym poświęcony jest ten wpis.
Zacznę od innych, znacznie większych „dziur” w naszej wiedzy o Wszechświecie. Najbardziej może dziwić hipoteza stawiana przez kosmologów i astrofizyków, że obok zwykłej widzialnej i poznawalnej materii, jest jeszcze inna materia, niepoznawalna oraz dominująca we Wszech świecie jakaś niepoznawalna energia. Nie mając rzeczywistej wiedzy, astrofizycy i kosmolodzy w swoich myślowych eksperymentach muszą spekulować. W oparciu o mechanikę ciał niebieskich zbudowanych ze zwykłej materii wydedukowali istnienie jakby drugiego równoległego, ale niewidocznego świata pełnego ciemnej materii i ciemnej energii.
Zwykłej materii może być zaledwie około 5%, a cała materialna „reszta” Wszechświata to, obok enigmatycznych czarnych dziur, hipotetyczna ciemna materia. Tworzy ona coś w rodzaju rusztu czy sieci, w której węzłach, na skutek wielkiej siły grawitacji zachodzi koncentracja zwykłej materii; tam powstają galaktyki. Postuluje się też, że wokół galaktyk funkcjonuje halo ciemnej materii, które określa ich przestrzeń we Wszechświecie. Można zatem uznać, że ciemna materia mocno trzyma galaktyki „w ryzach”.
No i mamy też hipotezę, że we Wszechświecie istnieje ciemna energia, której ciśnienie skierowane jest przeciwnie do grawitacji ciemnej materii. Jej istnienie wynika z matematycznego modelu funkcjonowania Wszechświata. Zdaniem kosmologów zaraz po Wielkim Wybuchu Wszechświat był zimny i ciemny; zawierał tylko ciemną materię. Tylko co to znaczy „zaraz”? W erze Plancka, czyli w niewyobrażalnie małym ułamku sekundy? Dominuje hipoteza, że pierwsze pojawiły się cząstki ciemnej materii, i to one stworzyły warunki do zaistnienia pierwszych cząstek zwykłej materii (z bezmiaru energii Wybuchu?), a kiedy pojawiły się wodór, ciemna materia zaczęła rządzić Wszechświatem „na dobre”. Tylko, jak to wszystko zrozumieć nie będąc Einsteinem ani Hawkingiem? Oni pewnie by się tym nie przejmowali.
Na skutek rosnącej grawitacji masy skupiającej się w węzłach sieci ciemnej materii zachodziło zagęszczanie się zwykłej materii. Gęstniejące chmury gazu o coraz wyższej temperaturze zapadały się do wnętrza, i w wyniku implozji następował zapłon rodzący pierwsze gwiazdy około 400 mln lat po Wielkim Wybuchu. Są one obrazowo określane jako błękitne potwory.
Olbrzymie masywne gwiazdy miały jednak krótki żywot; kiedy zabrakło im wodoru, umierały. Zapadały się pod działaniem silnej grawitacji zmieniając się ostatecznie w pierwsze czarne dziury. I tu mamy przykład niefrasobliwości astrofizyków, bo ani te ani później powstające czarne dziury nie są pustymi czeluściami (dziurami), lecz najbardziej masywnymi tworami zwykłej materii we Wszechświecie.
Ogólnie, „czarne dziury” są definiowane jako zapadająca się czasoprzestrzeń, którą rządzi grawitacja. Nie można ich zobaczyć, ponieważ nie emitują ani światła, ani innych fal elektromagnetycznych. Wręcz przeciwnie pochłaniają każdą formę materii (nawet światło), która znajdzie się zbyt blisko. Ich istnienie zasugerował Karl Schwarzschild w oparciu o równania ogólnej teorii względności A. Einsteina. To ciekawe, że sam Einstein początkowo wątpił w występowanie czarnych dziur we Wszechświecie.
Od czasu zaistnienia, czarne dziury zaczęły rządzić zwykłą materią w swoim otoczeniu; ulokowane w centrach gwiezdnych galaktyk rządzą nią nadal. Dzięki olbrzymim siłom pola magnetycznego czarnych dziur kręci się wokół nich żywot miliardów układów gwiezdnych, a także życie i śmierć gwiazd i ich planet. Pytanie – czy czarne dziury występują tylko w centrach galaktyk?
Czarne dziury są niewidocznymi sferycznymi czeluściami; zwykle kulistymi, ale mogą być także spłaszczone – jeżeli wirują. W ich otchłani, dzięki olbrzymiej grawitacji, ginie każdy materialny obiekt, który się zbliży i przekroczy granicę bez powrotu – tzw. horyzont zdarzeń. Jest on definiowany matematycznie w oparciu o obserwacje fizycznych procesów, które zachodzą w otoczeniu czarnych dziur.
Na tym nie kończy się moje nierozumienie tych potwornych żarłoków. W centrum czarnych dziur ma znajdować się ich jądro zawierające niezwykle skoncentrowaną materię, opisywane jako wyłamującą się z opisu matematycznego „osobliwość”. W wirującej czarnej dziurze osobliwość przyjmuje kształt pierścienia. Co ciekawe, istnieje też hipoteza, że osobliwość ma mieć ściśle definiowaną matematycznie gęstość Plancka. No cóż, hipotezy pozwalają się mnożyć.
Należy jeszcze raz podkreślić, że powyższe informacje na temat czarnych dziur są wynikiem teoretycznych równań matematycznych w oparciu o właściwości grawitacyjne tych tworów, rządzące otaczającą je zwykłą materią – gwiazdami oraz pyłem i gazem. Empirycznych danych dotyczących budowy wnętrza czarnych dziur nie ma, i prawdopodobnie nie będzie. Czarne dziury mogą mieć różną masę i wielkość, co decyduje nie tylko o sile ich pola grawitacyjnego, ale również o wielkości horyzontu zdarzeń. Stanowi on granicę między „życiem” zwykłej materii we Wszechświecie oraz jej „pozorną śmiercią” (zniknięciem) w czarnej dziurze.
Do wirującego wokół czarnych dziur dysku akrecyjnego ściągana jest materia z ich otoczenia, a dokładniej z chmur gazu i pyłu otaczających pobliskie gwiazdy. Zagęszczoną w dysku akrecyjnym materię czarna dziura wchłania następnie swoim polem grawitacyjnym. Ponieważ w ten sposób rośnie masa czarnej dziury, w właściwie to jej centralnej osobliwości, rośnie również natężenie jej pola grawitacyjnego.
Przejdźmy do kolejnej właściwości czarnych dziur. Doprowadzając masę gazu i pyłu w wirującym wokół nich dysku akrecyjnym do bardzo wysokiej temperatury powodują emisję silnego promieniowania elektromagnetycznego. A zatem, chociaż same czarne dziury nie świecą, to świecą światłem generowanym przez rozgrzaną materię dysku akrecyjnego.
Dzięki współczesnym teleskopom, w odległościach określanych w miliardach lat świetlnych, wykryto bardzo jasne obiekty, które okazały się nie gwiazdami lecz całymi silnie świecącymi galaktykami. Znajdujące się w nich supermasywne czarne dziury, w których zapadły się wcześniejsze galaktyki, wyróżniają się tak olbrzymią grawitacją, że swoją ogromną energią zasilają otaczające wirujące masy pyłu i gazu powstałe z pochłoniętych galaktyk. Obiekty te to silnie świecące kwazary, które powstały już w pierwszym miliardzie lat po narodzinach Wszechświata.
Kwazary wytwarzają kosmiczny huragan wysokoenergetycznych cząstek i w zasadzie niszczą stare ciężkie (tzw. „zapasione”) galaktyki zawierające olbrzymią liczbę gwiazd (do 100 miliardów). Kwazary sprzyjają jednak również narodzinom nowych gwiazd. Wrzucając gorący gaz poza galaktykę, mogą w otoczeniu swoich dżetów zagęszczać zimny gaz galaktyczny (wodór i hel), rodząc w ten sposób nowe gwiazdy.
Ponieważ na etapie powstawania kwazaru w galaktyce są gwiazdy, istnieje hipoteza, że zapalnikiem kwazaru może być wybuch gwiazdy. Jeżeli kwazary wykrywane są w odległościach mierzonych miliardami lat świetlnych, a ich promieniowanie dociera do Ziemi dopiero teraz, to musiały powstawać już w pierwszym miliardzie lat po Wielkim Wybuchu. Również wtedy powstała nasza galaktyka Droga Mleczna, która powoli przestaje już rodzić nowe gwiazdy.
Droga Mleczna ma w swoim centrum (w odległości 26-27 tys. lat świetlnych od Ziemi) supermasywną czarną dziurę o masie odpowiadającej 4 mln mas Słońca. Na skutek istnienia silnego pola magnetycznego wyrzuca ona ze swojego otoczenia fontanny gorącego gazu – plazmy o bardzo silnym promieniowaniu. Można to zarejestrować specjalistycznymi teleskopami. Obraz (a właściwie cień) czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej opublikowano po raz pierwszy 12 maja 2022 r. Powstał on w oparciu o wielką ilość zdjęć istniejącego wokół niej horyzontu zdarzeń, wykonanych przez globalną sieć radioteleskopów noszącą nazwę teleskopem Horyzontu Zdarzeń. Czarną dziurę reprezentuje tylko jej czerń wewnątrz jasnego pierścienia emitowanego na granicy horyzontu zdarzeń.
Supermasywna czarna dziura Drogi Mlecznej jest otoczona gęstą centralną masą gazu. Około 6 mln lat temu doszło do wybuchu promieniowania (określanego jako czkawka czarnej dziury), ale na szczęście dla Ziemi ognisty kwazar jednak się nie wytworzył. Gdyby do tego doszło, mogłoby zostać zniszczone nie tylko biologiczne ziemskie życie, ale również cały układ słoneczny.
W różnych galaktykach znajdują się znacznie większe czarne dziury, o masie szacowanej powyżej 10 mld mas naszego Słońca, a nawet ultramasywne – do granicznych o masie na poziomie 50 mld mas Słońca. Powstaje pytanie, jak można ocenić masę czarnych dziur, jeżeli ich nie widać, nie znamy ich wielkości ani gęstości upakowanej w nich materii ? Dowodów (pośrednich) na istnienie bardzo gęstych skupisk materii dostarczają długoletnie obserwacje orbit gwiazd w ich pobliżu. W odniesieniu do czarnych dziur ich wielkość szacuje się w oparciu o pomiar częstotliwości generowanych przez nie fal grawitacyjnych.
Niszczące czarne dziury, indukujące kwazary, mogą powstawać po zderzeniu się dwóch galaktyk. Kiedy należące do nich dwie czarne dziury wirują wokół siebie dochodzi do ich fuzji co generuje olbrzymią energię fal grawitacyjnych. Powstające w ten sposób kwazary rozrywają zderzające się galaktyki. W naszym kierunku pędzi z prędkością około 100-150 km/s (?) wielka galaktyka Andromedy odległa od Ziemi 2,52 mln lat świetlnych. Jest ona największa w naszej grupie lokalnej galaktyk, ponieważ wcześniej pochłaniała już inne galaktyki.
Kolizja z naszą galaktyką może doprowadzić do powstania gigantycznej galaktyki z supermasywną czarną dziurą. Owocem tego zdarzenia będzie prawdopodobnie wysoko energetyczny kwazar niosący śmierć m.in. naszemu Słońcu i jego planetom, ale uruchamiający powstawanie nowych gwiazd, które (podobnie jak stare) zostaną rozrzucone w strukturze nowej supergalaktyki. Pytanie – kiedy? Odległość jest tak duża, że mimo wielkiej szybkości zbliżania się w naszym kierunku, może (ale nie musi) to nastąpić dopiero za jakieś 4-4,5 mld lat.
Istnieje hipoteza, że Drogę Mleczną przenikają małe galaktyki karłowate mające zaledwie po kilkadziesiąt milionów gwiazd. Trudno je wykryć, ponieważ nie emitują dostatecznie silnego promieniowania. Wędrują one bezkolizyjnie w pustej przestrzeni międzygwiezdnej, ale czasem mogą powodować zaburzenia w ruchu niektórych gwiazd. Świadczyć o tym mogą „zmarszczki” widoczne w ramionach naszej galaktyki i prawdopodobnie tzw. poprzeczka w jej środku. Droga Mleczna jest porównywana do ogromnego naleśnika z wybrzuszeniem pośrodku, które jest najstarszą strukturą galaktyki zawierającą najstarsze gwiazdy. W ramionach wirujących wokół centralnego wybrzuszenia Drogi Mlecznej znajdują się najnowsze gwiazdy. Istnieją również galaktyki płaskie, pozbawione centralnego zgrubienia.
Ponieważ odległości między gwiazdami są bardzo duże, galaktyki karłowate, przemieszczając się wewnątrz dużych galaktyk, zwykle nie czynią większych szkód. Kiedy jednak dojdzie do kolizji, duże galaktyki połykają galaktyki karłowate wykorzystując ich paliwo (wodór i hel) do tworzenia nowych gwiazd. Istnieje hipoteza, że przed powstaniem układu słonecznego poważna kolizja innej galaktyki z Drogą Mleczną dostarczyła jej duże ilości zimnego gazu (wodoru i helu). Nowy ładunek gazu i pyłu mógł być wykorzystany dzięki temu do powstania nowych gwiazd w ramionach powiększonej Drogi Mlecznej.
Od czasu zaistnienia czarnych dziur, kontrolują one ewolucję Wszechświata, który rozszerza się dzięki procesom dającym się ująć skrótowo jako powtarzające się narodziny i śmierci ciał niebieskich. Istnieje teoria (może tylko hipoteza) starająca się wytłumaczyć jaką rolę w tworzeniu się największych pierwotnych supermasywnych czarnych dziur o masie kilkanaście mld czy nawet ponad 30 mld razy większej od masy naszego Słońca odegrała ciemna materia.
Istnieje podejrzenie, że ciemna materia rodziła ogromne supermasywne gwiazdy, których żywot był stosunkowo krótki, kończący się wybuchami kwazarów i powstawaniem supermasywnych czarnych dziur o masie na poziomie miliardów Słońc. Nie wykluczone, że tak masywne pierwotne czarne dziury powstawały też w wyniku wielkiego zderzenia się dwóch czarnych dziur wirujących wokół siebie. Następuje wówczas zamiana części materii w energię wyrzucaną w przestrzeń kosmiczną. Teoretycznie nie można wykluczyć, że pierwotne ogromne czarne dziury powstawały w wyniku połączonego działania powyższych mechanizmów.
Wróćmy jednak do „współczesnego” Wszechświata (cudzysłów, bo tak naprawdę oglądamy przecież obrazy Wszechświata, jaki istniał przed miliardami lat, docierające do nas dopiero teraz z odległości miliardów lat świetlnych. W porównaniu z omawianymi wyżej pierwotnymi supermasywnymi czarnymi dziurami, te znajdujące się obecnie w bliskich nam galaktykach są bardzo małe. Jaki jest koniec śmierci gwiazdy zależy od jej masy. Nie zawsze musi to być czarna dziura, może to być martwa gwiazda neutronowa (wpis nr 22).
Zarówno gwiazda neutronowa, jak i osobliwość czarnej dziury mają niewiarygodnie gęstą materię odpowiedzialną za ogromną siłę grawitacji oraz nadzwyczaj silne pole magnetyczne. Jedno i drugie mogą ściągać materię ze swojego otoczenia wysyłając w przestrzeń kosmiczną olbrzymią ilość energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego, które powstaje w wyniku zderzeń materii na powierzchni gwiazdy neutronowej czy w dysku akrecyjnym czarnej dziury.
Szacuje się, że za kilkaset miliardów lat wyczerpywanie zasobów paliwa termojądrowego doprowadzi do wygaszania się ostatnich gwiazd. Nastanie wtedy długa era chłodnych tzw. czerwonych karłów, które będą bardzo słabo świecić dopalając powoli resztki wodoru i helu. Wszechświat pozbawiany energii termojądrowej zacznie coraz szybciej rozszerzać się. Rządząca nim wcześniej grawitacja ciemnej materii i czarnych dziur znanej materii ulegnie sile ciemnej energii. Nic o niej właściwie nie wiemy, ale za sprawą modelu matematycznego, który opisuje narastające rozszerzanie się Wszechświata, uznaliśmy że istnieje.
Dowody na rozszerzanie się Wszechświata mają już jednak charakter empiryczny, a proces ten przypisuje się ciemnej energii, która ma stanowić grubo ponad 90% Wszechświata. Czy zatem, jeśli grawitacja sprzyjała powstaniu i życiu znanego nam Wszechświata, to ciemna energia będzie odpowiadała za jego śmierć? Czy kolejny „nowy” Wszechświat będzie ciemny, zimny i „pusty”? A może nastąpi powrót jego materii do stanu sprzed Wielkiego Wybuchu? Jaka siła to sprawi?
Wróćmy jednak do naszego obecnego Wszechświata. Między galaktykami i grupami galaktyk są kosmiczne pustki. Dlaczego taka nazwa, skoro właśnie tam ma znajdować się rozpychająca Wszechświat ciemna energia. A teraz najciekawsze – okazuje się, że mamy do czynienia z wojną dwóch fantomowych potworów – ciemnej materii i ciemnej energii. Początkowo, dopóki ciemna energia rosła powoli, Wszechświat był zarządzany przez ciemną materię. Astrofizycy i kosmolodzy wysunęli hipotezę, że od 9 mld lat to ciemna energia uzyskała przewagę, o czym ma świadczyć przyspieszenie przestrzennej ekspansji Wszechświata. Grawitacja ciemnej materii przegrywa z ciśnieniem ciemnej energii, podobnie jak podczas wybuchu supernowej grawitacja przegrywa z energią reakcji termojądrowej. Skoro ciemnej energii przybywa, rodzi się zasadnicze pytanie – jakie jest źródło tej fantomowej energii? A właściwie to należy uznać, że hipoteza istnienia ciemnej materii i ciemnej energii jest tylko próbą zamaskowania jakże wielkiej jeszcze „dziurze” w wiedzy kosmologów i astrofizyków na temat Wszechświata.