Bezdroża w naszym poznawaniu Wszechświata
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 określenia „dziury”, bo pasuje „jak ulał” do teorii czarnych dziur, którym głównie poświęcony jest ten wpis. W wieku XX enigmatyczne czarne dziury były przedmiotem dywagacji przez. Chociaż już w roku 1916 Karl Schwarzschild, w oparciu o model matematyczny opisujący ogólną teorię względności Alberta Einsteina, zaproponował istnienie czarnych dziur, przez kilkadziesiąt lat były one enigmatyczna zmorą spędzającą sen z oczu fizyków teoretycznych i kosmologów.
Teoretycznie niby wszystko się zgadzało, ale zobaczyć ich nikomu się nie udawało, a A.Einstain wręcz w nie wierzył. Pierwsze zdjęcie dowodzące pośrednio istnienie czarnych dziur opublikowano dopiero w roku 2019. Na zdjęciu widać tylko czarną plamę – „cień” wewnątrz rozbłyszczonego dysku kosmicznej materii wysyłającego silne promieniowanie elektromagnetyczne. Ponieważ sama czarna dziura energii nie emituje, ani nie odbija (a każdą formę materii w swoim sąsiedztwie wręcz łapczywie pożera), jej rzeczywistego obrazu nie można było zarejestrować. Na zdjęciu pozostawała zatem niewidoczna, ale nareszcie teoria czarnych dziur otrzymała dowód ich istnienia. W obszarze współczesnej kosmologii, czarne dziury chociaż są rzeczywiście czarne, przestały być dziurami w naszej wiedzy; są najbardziej masywnymi tworami zwykłej materii we Wszechświecie. Ale nośna nazwa pozostała.
W naszej wiedzy o Wszechświecie istnieją jednak kolejne dziury. Najbardziej może dziwić bardzo mocna hipoteza stawiana przez kosmologów i astrofizyków, że obok zwykłej widzialnej i poznawalnej materii, jest jeszcze inna, niepoznawalna materia oraz dominująca we Wszechświecie jakaś niepoznawalna energia. Są one określane jako ciemna materia i ciemna energia. W modelach teoretycznych funkcjonowania Wszechświata ich istnienie jest niezaprzeczalne. Co więcej, te dwa enigmatyczne potwory uznane zostały za główne siły rządzące mechaniką Wszechświata. Rządząc widzialnym Wszechświatem, same pozostają dla nas niewidzialne.
W swoich myślowych eksperymentach, w oparciu o mechanikę ciał niebieskich zbudowanych ze zwykłej materii, fizycy teoretycznie i kosmolodzy wydedukowali istnienie jakby drugiego równoległego świata pełnego niewidzialnej i niemierzalnej ciemnej materii i ciemnej energii. Oszacowali, że 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”. Rola ciemnej energii jest przeciwstawna; wywiera ona we Wszechświecie ciśnienie skierowane przeciwnie do siły grawitacji ciemnej materii. 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.
O czarnych dziurach nieco wiecej
Olbrzymie masywne gwiazdy miały krótki żywot; kiedy zabrakło im wodoru, umierały. Zapadały się pod działaniem silnej grawitacji zmieniając się ostatecznie w pierwsze czarne dziury.
Ogólnie, czarne dziury są definiowane jako zapadająca się czasoprzestrzeń, którą rządzi grawitacja. Od czasu zaistnienia, grawitacja czarnych dziur ulokowanych w centrach gwiezdnych galaktyk rządzi zwykłą materią w tych galaktykach. Dzięki olbrzymim siłom pola magnetycznego czarnych dziur wokół nich kręci się żywot miliardów układów gwiezdnych, a także życie i śmierć gwiazd i ich planet.
Czarne dziury są sferycznymi niezwykle masywnymi czeluściami; zwykle kulistymi, ale mogą być także spłaszczone – jeżeli wirują. W ich otchłani, dzięki olbrzymiej grawitacji, ginie każda forma materii, która 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.
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.
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 chmur gazu i pyłu otaczających pobliskie gwiazdy. Po wchłonięciu nowej materii 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 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. Galaktyki 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.
Tu pojawia się jednak problem, jak zarejestrować fale grawitacyjne, zwłaszcza czarnych dziur w galaktykach odległych o miliardy lat świetlnych. Próby podejmowane jeszcze w wieku XX, sukcesem zakończyły się w roku 2011. W projekcie LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) do detekcji fal grawitacyjnych wykorzystano interferometrię laserową w układzie trzech teleskopów umieszczonych w Arizonie, Kalifornii i na Hawajach. W ten sposób zarejestrowano po raz pierwszy fale grawitacyjne emitowane przez horyzont zdarzeń podczas akrecji dwóch supermasywnych czarnych dziur w odległości 1,3 mld lat świetlnych.
Niszczące czarne dziury, indukujące kwazary, mogą powstawać po zderzeniu się dwóch galaktyk. Kiedy dochodzi do fuzji wirujących wokół siebie dwóch czarnych dziur generuje to olbrzymią energię fal grawitacyjnych. Powstające w ten sposób kwazary rozrywają zderzające się galaktyki. To jest bardzo istotne dla przyszłości naszej galaktyki (i oczywiście Ziemi). 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 Drogą mleczną 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.
Jaka przyszłość czeka nasz Wszechświat?
Szacuje się, że za kilkaset (lub tysiące) 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 ta fantomowa ciemna energia dominuje, rodzi się zasadnicze pytanie – jakie jest jej źródło tej? I jak długo jeszcze ciemna energia będzie rozpychała nasz widoczny Wszechświat? A może „rozdymając” go wyczerpie się i nastąpi spadek jej ciśnienia? Wtedy do zarządzania Wszechświatem może dojść ciemna materia. Czy siłą swojej grawitacji będzie ściągać zwykłą materię do ostatecznej czarnej dziury, aż ściśnie ją do krytycznej osobliwości i niewyobrażalnie małego i niewyobrażalnie gęstego (ciężkiego) „punktu”? Czy nastąpi wtedy jego kolejna eksplozja, kolejny „Wielki Wybuch”, a wg innej hipotezy raczej kolejne „odbicie” i ekspansja materii rodzącej nowy Wszechświat?
Kosmolodzy ukuli dwie teorie (ale to tylko hipotezy) dotyczące końca naszego Wszechświata. Jedna „mówi” o Wielkiej Erze Lodowej, a druga wręcz przeciwnie – o Wielkiej Kuli Ognia. Pierwsza pozostaje w zgodzie z obserwowaną obecnie ekspansją Wszechświata. Patrząc z Ziemi galaktyki zaczną znikać za kosmicznym horyzontem i nastąpi wielkie rozdarcie Wszechświata. Grawitacja przestanie odgrywać swoją dotychczasową rolę. Gdy zabraknie gazowego paliwa (wodoru) gwiazdy rozpadną się, a następnie do cząstek elementarnych rozpadną się ich atomy. Nastanie era czarnych dziur (czas przestanie istnieć?), które ostatecznie również wyparują w postaci cząstek elementarnych. Nastanie era ciemna totalnego chłodu (zero stopni Kelvina) i nieuporządkowania „pustki”. O dziwo, jest to zgodne z II zasadą termodynamiki – w systemie zamkniętym zachodzi stały przyrost entropii (nieuporządkowania).
Przy założeniu, że nasz Wszechświat jest systemem zamkniętym, zostanie on całkowicie ogarnięty zasadami mechaniki kwantowej. A to oznaczałoby, że wówczas wydarzyć może się (z niezwykle małym prawdopodobieństwem) wszystko, łącznie z kolapsem (zapaścią) cząstek elementarnych do energetycznego „punktu”. A co dalej? Nowy Wszechświat w akcie Nowego Wielkiego Wybuchu?
A druga hipoteza ”końca” wszechświata? Ta proponuje Wielki Kolaps na samym początku, a jego mechanizm oznaczałby powrót do dominacji siły grawitacji we Wszechświecie. Gwiazdy zaczną pochłaniać swoje planety, a potem łączyć się lub zostaną pochłonięte przez czarne dziury, które pochłoną również resztki kosmicznego gruzu. Procesy kolizji czarnych dziur i ich wzajemnego pochłaniania się doprowadzą do powstania wielkiej kuli ognia. Biblijny Armagedon? Niezależnie od jednej czy drugiej hipotezy, ma to nastąpić w niewyobrażalnym dla nas skali czasowej, przekraczającej skalę czasu istnienia dzisiejszego Wszechświata.
Podsumowanie
Należy uznać, że hipoteza istnienia ciemnej materii i ciemnej energii, podobnie jak hipoteza Wielkiego Wybuchu, jest tylko próbą zamaskowania jakże wielkiej „dziury” w wiedzy kosmologicznej na temat Wszechświata. Ale dla kosmologów stwarza to świetną okazję do wielkich intelektualnych dociekań. A takiej okazji nie mogą przepuścić. I nie jest ważne to, że są niewidzialne, bo nie można ich istnienia udowodnić dostępnymi narzędziami fizycznymi. Ważne jest to, że ich istnienie wynika z modeli matematycznych mechaniki Wszechświata.