wszechświat
Autor: Weronika Śliwa | dodano: 2012-09-26
Poszukując niewidzialnego

Co dzieje się z zawartą w czarnych dziurach materią? Odległe czarne dziury z definicji trudno dostrzec, a jeszcze trudniej je szczegółowo zbadać, bo nie może się z nich wydostać nawet światło. Dlatego fizycy chcą wziąć sprawy w swoje ręce i stworzyć czarne dziurki w wersji mini. Już niedługo mogą się one pojawić we Francji i w Szwajcarii.

Na pozór czarne dziury są idealnym przykładem obiektów niemożliwych do znalezienia. Każdą z nich otacza wszak horyzont zdarzeń – spod którego nie dochodzą do nas żadne informacje o wnętrzu i składzie materii, która ją tworzy. Oznacza to, że na podstawie obserwacji nie tylko nie możemy zbadać wnętrza czarnej dziury, ale nawet powiedzieć, z jakiego rodzaju materii powstała. Zewnętrzny obserwator nie będzie mógł odróżnić nawet dziur zbudowanych z materii i antymaterii – jedynymi obserwowanymi z zewnątrz własnościami czarnej dziury są jej masa, ewentualny ładunek elektryczny i tempo obrotu wokół osi. Największe szanse na odnalezienie tych najdziwniejszych gwiazd mamy wówczas, gdy towarzyszy im druga, normalna.

Obserwując ruch widocznej gwiazdy, nietrudno stwierdzić, że okrąża ona drugi, niewidoczny obiekt. Je-li masa tajemniczego towarzysza przekracza trzy masy Słońca, czyli maksymalną masę gwiazdy neutronowej, mamy poważne podstawy do podejrzeń, że odnaleźliśmy układ, w którym gości czarna dziura. Jeszcze pewniejszych dowodów na istnienie czarnych dziur dostarczają obserwacje nieba w świetle rentgenowskim. Takie wysokoenergetyczne promieniowanie pojawia się wszędzie tam, gdzie na gwiazdę neutronową lub czarną dziurę opadają duże ilości gazu. Jeżeli obie gwiazdy krążą blisko siebie, czarna dziura wysysa materię z zewnętrznych warstw towarzysza. Opadający ku dziurze gaz tworzy zazwyczaj płaski dysk, w którym część uzyskanej podczas spadania energii jest zamieniana w ciepło.

Choć procesy prowadzące do ogrzania opadającego gazu nie są jeszcze dobrze znane, to już dziś wiadomo, że ich wydajność jest wręcz niewiarygodna – energia opadającego na czarną dziurę gazu jest wielokrotnie większa od tej, którą można uzyskać dzięki jego syntezie termojądrowej. W praktyce oznacza to, że około 30 kg gazu wrzucone do czarnej dziury zaspokoiłoby roczne zapotrzebowanie Polski na energię elektryczną, a typowe czarne dziur y gwiazdowe połykają w ciągu sekundy co najmniej kilkaset milionów ton materii. Nic dziwnego, że otaczający je dysk gazu o temperaturze milionów stopni można w świetle rentgenowskim zobaczyć nawet z odległej galaktyki. Dziś takich układów – w miarę pewnych kandydatów na siedziby czarnych dziur – znamy już ponad 50.

Odnalezienie czarnej dziury, wokół której krążą inne ciała, nie jest trudne. Czasem jednak udaje się odnaleźć nawet obiekt pozornie niemożliwy do zauważenia – czarną dziurę samotnie wędrującą w przestrzeni. Dzieje się tak, gdy stanie ona na drodze światła dochodzącego do Ziemi z innej gwiazdy. Pole grawitacyjne dziury ugnie wówczas muskające ją promienie świetlne jak soczewka i wzmocni obraz gwiazdy. W taki sposób udało się ostatnio odnaleźć poruszający się w przestrzeni tajemniczy soczewkujący obiekt o promieniu 20 km i masie sześciu mas słonecznych, a więc niewątpliwie samotną czarną dziurę.

Kosmiczne megalatarnie
Pomimo swej olbrzymiej jasności gwiazdowe czarne dziury są tylko ubogimi krewnymi kwazarów – czarnych dziur o masie miliardy razy większej od słonecznej, znajdujących się w centrach odległych galaktyk. Czarna dziura kwazara pożera otaczający ją gaz w tempie dochodzącym do tysiąca mas Słońca rocznie. Ilość produkowanej w tym procesie energii jest tak wielka, że może nawet 100 tys. razy przewyższyć zwykłe promieniowanie gwiazd tworzących macierzystą galaktykę kwazara. Szaleńcze świecenie kwazarów nie może jednak trwać wiecznie.

Czas ich aktywności zależy od ilości nadającego się do wchłonięcia gazu. A o taki gaz nie jest wcale łatwo – dla ciała okrążającego czarną dziurę w odległości większej od kilku– kilkunastu jej promieni oddziaływanie grawitacyjne nie różni się zasadniczo od oddziaływania każdego „normalnego” ciała. Gdyby w Układzie Słonecznym zamiast Słońca znalazła się czarna dziura o tej samej masie, orbita Ziemi praktycznie nie uległaby zmianie (chociaż zrobiłoby się raczej ciemno...). Żadna nadzwyczajna siła nie zaczęłaby też jej pchać w kierunku dziury. Podobnie jest z kwazarami: wpadają do nich tylko te obłoki gazu i te gwiazdy, których orbity przechodzą blisko centrum.

Po jakimś czasie – milionie, a czasem aż 100 mln lat – zasoby dostępnej materii wyczerpują się i kwazar gaśnie. Czarna dziura cicho czeka na dostawę świeżej materii, która może się pojawić przy zderzeniu macierzystej galaktyki z sąsiadką. Gargantuiczne czarne dziury w kwazarach mają też nieco mniejsze, słabiej świecące kuzynki. Pewne ilości energii są produkowane w innych aktywnych galaktykach, które zawierają mniejsze od kwazarowych i mniej żarłoczne czarne dziury o masie milionów mas Słońca. Choć nie wszystkie galaktyki były niegdyś prawdziwymi kwazarami, prawdopodobnie każda z nich – również nasza Galaktyka – gości w swym środku mniejszą lub większą supermasywną czarną dziurę. Pochodzenie tak masywnych obiektów nie jest dla nas jasne. Jedna z hipotez tłumaczy ich powstanie zderzeniami wielu gwiazd wypełniających centrum młodych galaktyk.

A może to galaktyczne czarne dziury powstały pierwsze, a galaktyki utworzyły się wokół nich później? Niewykluczone, że problem pochodzenia galaktycznych superdziur pomoże rozwiązać kolejne odkrycie: wiosną 2004 roku okazało się, że istnieją też od dawna poszukiwane czarne dziury o masach kilku tysięcy mas Słońca, a więc pośrednich między masami dziur gwiazdowych i galaktycznych. Te średniomasywne czarne dziury odnaleziono w niektórych większych gromadach gwiazd. Porównanie ich własności z własnościami dziur galaktycznych może rozwiązać zagadkę pochodzenia obiektów obu typów.

Minidziurki wokół nas
Do trzech rodzajów znanych nam już czarnych dziur mogą niedługo dołączyć opisywane dotychczas tylko przez teoretyków dziury o masie mniejszej od gwiazdowej. O ile mniejszej? Jeśli chcielibyśmy zrobić czarną dziurę z Ziemi, musielibyśmy ją sprasować tak, by utworzyła kulę o promieniu zaledwie 9 mm. W dzisiejszym Wszechświecie nie znamy procesów, które byłyby w stanie tak drastycznie zgnieść materię, ale olbrzymie gęstości konieczne do utworzenia tak lekkich i niewielkich czarnych dziur mogły istnieć tuż po Wielkim Wybuchu. Jeśli tak, to powstałe wówczas lekkie czarne dziury mogą do dziś przemierzać kosmiczną przestrzeń i... powoli znikać.

Zgodnie z hipotezą wysuniętą przez Stephena Hawkinga czarne dziury nie są całkiem czarne – emitują niewielkie ilości energii, czyli parują, i to tym szybciej, im są lżejsze. Ostatnie sekundy ich życia przypominają więc zapewne bardziej eksplozję niż typowe życie pochłaniającego wszystko obiektu. Być może już niedługo nietypowy błysk ujawni nam zanik jednej z pierwotnych czarnych dziur i ich istnienie zostanie wreszcie potwierdzone. Jak oceniają badacze, by powstała tuż po Wielkim Wybuchu, a więc 13,7 mld lat temu, czarna dziura do dziś nie wyparowała, jej początkowa masa musiałaby wynosić co najmniej 100 mln ton, być więc porównywalna z masą niewielkiej skały.

Minizagrożenie
A jeśli nie znajdziemy pierwotnych czarnych dziur? Trzeba wyprodukować własne. Niektóre teorie fizyczne przewidują, że czarną dziurę można wytworzyć w laboratorium podczas zderzenia wysokoenergetycznych cząstek. Gdy budowano najpotężniejszy z działających ówcześnie akceleratorów, amerykański RHIC, przedstawiciele amerykańskiego rządu byli poważnie zaniepokojeni krążącymi pogłoskami o możliwości wyprodukowania czarnych minidziurek w laboratorium. Dyrekcja RHIC poprosiła więc śmietankę fizyków cząstek (w tym niedawnego noblistę Franka Wilczka) o napisanie raportu analizującego możliwość wyprodukowania w budowanym akceleratorze czarnych dziur, a także pewnych potencjalnie niebezpiecznych egzotycznych cząstek elementarnych. W raporcie zagrożenie to uznano za znikomo małe.

Jednym z argumentów za bezpieczeństwem działania RHIC jest to, że z podobnymi do panujących w akceleratorze energiami zderzają się z atmosferą Ziemi najszybsze cząstki promieniowania kosmicznego. Czy w takich zderzeniach produkowane są czarne dziury? Niektóre teorie wcale tego nie wykluczają. Z pewnością można jednak powiedzieć, że jeśli się tak dzieje, nie wywołuje to katastrofalnych skutków. W RHIC czarnych dziur nie zauważono. Niedługo sytuacja może się jednak zmienić – energia i inne parametry w otwartym niedawno LHC znacznie przekraczają rekordy RHIC... Czy już wkrótce będziemy badać minidziurki? Wprawdzie powinny one szybko znikać wskutek parowania, ale tak naprawdę nikt nie wie na pewno, co się wówczas stanie.

A może okaże się, że bezpieczniej jest podziwiać czarne dziury z większej odległości?

Więcej w specjalnym wydaniu miesięcznika „Wiedza i Życie" nr 02/2010 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
02/2020
01/2020
Kalendarium
Styczeń
29
W 1984 r. wystrzelono pierwszego satelitę z Kosmodromu Xichang w chińskiej prowincji Syczuan
Warto przeczytać
Firma Topf & Söhne produkuje urządzenia browarnicze i krematoria, a także instalacje do komór gazowych. Jej klientami są browary w wielu krajach na całym świecie.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Weronika Śliwa | dodano: 2012-09-26
Poszukując niewidzialnego

Co dzieje się z zawartą w czarnych dziurach materią? Odległe czarne dziury z definicji trudno dostrzec, a jeszcze trudniej je szczegółowo zbadać, bo nie może się z nich wydostać nawet światło. Dlatego fizycy chcą wziąć sprawy w swoje ręce i stworzyć czarne dziurki w wersji mini. Już niedługo mogą się one pojawić we Francji i w Szwajcarii.

Na pozór czarne dziury są idealnym przykładem obiektów niemożliwych do znalezienia. Każdą z nich otacza wszak horyzont zdarzeń – spod którego nie dochodzą do nas żadne informacje o wnętrzu i składzie materii, która ją tworzy. Oznacza to, że na podstawie obserwacji nie tylko nie możemy zbadać wnętrza czarnej dziury, ale nawet powiedzieć, z jakiego rodzaju materii powstała. Zewnętrzny obserwator nie będzie mógł odróżnić nawet dziur zbudowanych z materii i antymaterii – jedynymi obserwowanymi z zewnątrz własnościami czarnej dziury są jej masa, ewentualny ładunek elektryczny i tempo obrotu wokół osi. Największe szanse na odnalezienie tych najdziwniejszych gwiazd mamy wówczas, gdy towarzyszy im druga, normalna.

Obserwując ruch widocznej gwiazdy, nietrudno stwierdzić, że okrąża ona drugi, niewidoczny obiekt. Je-li masa tajemniczego towarzysza przekracza trzy masy Słońca, czyli maksymalną masę gwiazdy neutronowej, mamy poważne podstawy do podejrzeń, że odnaleźliśmy układ, w którym gości czarna dziura. Jeszcze pewniejszych dowodów na istnienie czarnych dziur dostarczają obserwacje nieba w świetle rentgenowskim. Takie wysokoenergetyczne promieniowanie pojawia się wszędzie tam, gdzie na gwiazdę neutronową lub czarną dziurę opadają duże ilości gazu. Jeżeli obie gwiazdy krążą blisko siebie, czarna dziura wysysa materię z zewnętrznych warstw towarzysza. Opadający ku dziurze gaz tworzy zazwyczaj płaski dysk, w którym część uzyskanej podczas spadania energii jest zamieniana w ciepło.

Choć procesy prowadzące do ogrzania opadającego gazu nie są jeszcze dobrze znane, to już dziś wiadomo, że ich wydajność jest wręcz niewiarygodna – energia opadającego na czarną dziurę gazu jest wielokrotnie większa od tej, którą można uzyskać dzięki jego syntezie termojądrowej. W praktyce oznacza to, że około 30 kg gazu wrzucone do czarnej dziury zaspokoiłoby roczne zapotrzebowanie Polski na energię elektryczną, a typowe czarne dziur y gwiazdowe połykają w ciągu sekundy co najmniej kilkaset milionów ton materii. Nic dziwnego, że otaczający je dysk gazu o temperaturze milionów stopni można w świetle rentgenowskim zobaczyć nawet z odległej galaktyki. Dziś takich układów – w miarę pewnych kandydatów na siedziby czarnych dziur – znamy już ponad 50.

Odnalezienie czarnej dziury, wokół której krążą inne ciała, nie jest trudne. Czasem jednak udaje się odnaleźć nawet obiekt pozornie niemożliwy do zauważenia – czarną dziurę samotnie wędrującą w przestrzeni. Dzieje się tak, gdy stanie ona na drodze światła dochodzącego do Ziemi z innej gwiazdy. Pole grawitacyjne dziury ugnie wówczas muskające ją promienie świetlne jak soczewka i wzmocni obraz gwiazdy. W taki sposób udało się ostatnio odnaleźć poruszający się w przestrzeni tajemniczy soczewkujący obiekt o promieniu 20 km i masie sześciu mas słonecznych, a więc niewątpliwie samotną czarną dziurę.

Kosmiczne megalatarnie
Pomimo swej olbrzymiej jasności gwiazdowe czarne dziury są tylko ubogimi krewnymi kwazarów – czarnych dziur o masie miliardy razy większej od słonecznej, znajdujących się w centrach odległych galaktyk. Czarna dziura kwazara pożera otaczający ją gaz w tempie dochodzącym do tysiąca mas Słońca rocznie. Ilość produkowanej w tym procesie energii jest tak wielka, że może nawet 100 tys. razy przewyższyć zwykłe promieniowanie gwiazd tworzących macierzystą galaktykę kwazara. Szaleńcze świecenie kwazarów nie może jednak trwać wiecznie.

Czas ich aktywności zależy od ilości nadającego się do wchłonięcia gazu. A o taki gaz nie jest wcale łatwo – dla ciała okrążającego czarną dziurę w odległości większej od kilku– kilkunastu jej promieni oddziaływanie grawitacyjne nie różni się zasadniczo od oddziaływania każdego „normalnego” ciała. Gdyby w Układzie Słonecznym zamiast Słońca znalazła się czarna dziura o tej samej masie, orbita Ziemi praktycznie nie uległaby zmianie (chociaż zrobiłoby się raczej ciemno...). Żadna nadzwyczajna siła nie zaczęłaby też jej pchać w kierunku dziury. Podobnie jest z kwazarami: wpadają do nich tylko te obłoki gazu i te gwiazdy, których orbity przechodzą blisko centrum.

Po jakimś czasie – milionie, a czasem aż 100 mln lat – zasoby dostępnej materii wyczerpują się i kwazar gaśnie. Czarna dziura cicho czeka na dostawę świeżej materii, która może się pojawić przy zderzeniu macierzystej galaktyki z sąsiadką. Gargantuiczne czarne dziury w kwazarach mają też nieco mniejsze, słabiej świecące kuzynki. Pewne ilości energii są produkowane w innych aktywnych galaktykach, które zawierają mniejsze od kwazarowych i mniej żarłoczne czarne dziury o masie milionów mas Słońca. Choć nie wszystkie galaktyki były niegdyś prawdziwymi kwazarami, prawdopodobnie każda z nich – również nasza Galaktyka – gości w swym środku mniejszą lub większą supermasywną czarną dziurę. Pochodzenie tak masywnych obiektów nie jest dla nas jasne. Jedna z hipotez tłumaczy ich powstanie zderzeniami wielu gwiazd wypełniających centrum młodych galaktyk.

A może to galaktyczne czarne dziury powstały pierwsze, a galaktyki utworzyły się wokół nich później? Niewykluczone, że problem pochodzenia galaktycznych superdziur pomoże rozwiązać kolejne odkrycie: wiosną 2004 roku okazało się, że istnieją też od dawna poszukiwane czarne dziury o masach kilku tysięcy mas Słońca, a więc pośrednich między masami dziur gwiazdowych i galaktycznych. Te średniomasywne czarne dziury odnaleziono w niektórych większych gromadach gwiazd. Porównanie ich własności z własnościami dziur galaktycznych może rozwiązać zagadkę pochodzenia obiektów obu typów.

Minidziurki wokół nas
Do trzech rodzajów znanych nam już czarnych dziur mogą niedługo dołączyć opisywane dotychczas tylko przez teoretyków dziury o masie mniejszej od gwiazdowej. O ile mniejszej? Jeśli chcielibyśmy zrobić czarną dziurę z Ziemi, musielibyśmy ją sprasować tak, by utworzyła kulę o promieniu zaledwie 9 mm. W dzisiejszym Wszechświecie nie znamy procesów, które byłyby w stanie tak drastycznie zgnieść materię, ale olbrzymie gęstości konieczne do utworzenia tak lekkich i niewielkich czarnych dziur mogły istnieć tuż po Wielkim Wybuchu. Jeśli tak, to powstałe wówczas lekkie czarne dziury mogą do dziś przemierzać kosmiczną przestrzeń i... powoli znikać.

Zgodnie z hipotezą wysuniętą przez Stephena Hawkinga czarne dziury nie są całkiem czarne – emitują niewielkie ilości energii, czyli parują, i to tym szybciej, im są lżejsze. Ostatnie sekundy ich życia przypominają więc zapewne bardziej eksplozję niż typowe życie pochłaniającego wszystko obiektu. Być może już niedługo nietypowy błysk ujawni nam zanik jednej z pierwotnych czarnych dziur i ich istnienie zostanie wreszcie potwierdzone. Jak oceniają badacze, by powstała tuż po Wielkim Wybuchu, a więc 13,7 mld lat temu, czarna dziura do dziś nie wyparowała, jej początkowa masa musiałaby wynosić co najmniej 100 mln ton, być więc porównywalna z masą niewielkiej skały.

Minizagrożenie
A jeśli nie znajdziemy pierwotnych czarnych dziur? Trzeba wyprodukować własne. Niektóre teorie fizyczne przewidują, że czarną dziurę można wytworzyć w laboratorium podczas zderzenia wysokoenergetycznych cząstek. Gdy budowano najpotężniejszy z działających ówcześnie akceleratorów, amerykański RHIC, przedstawiciele amerykańskiego rządu byli poważnie zaniepokojeni krążącymi pogłoskami o możliwości wyprodukowania czarnych minidziurek w laboratorium. Dyrekcja RHIC poprosiła więc śmietankę fizyków cząstek (w tym niedawnego noblistę Franka Wilczka) o napisanie raportu analizującego możliwość wyprodukowania w budowanym akceleratorze czarnych dziur, a także pewnych potencjalnie niebezpiecznych egzotycznych cząstek elementarnych. W raporcie zagrożenie to uznano za znikomo małe.

Jednym z argumentów za bezpieczeństwem działania RHIC jest to, że z podobnymi do panujących w akceleratorze energiami zderzają się z atmosferą Ziemi najszybsze cząstki promieniowania kosmicznego. Czy w takich zderzeniach produkowane są czarne dziury? Niektóre teorie wcale tego nie wykluczają. Z pewnością można jednak powiedzieć, że jeśli się tak dzieje, nie wywołuje to katastrofalnych skutków. W RHIC czarnych dziur nie zauważono. Niedługo sytuacja może się jednak zmienić – energia i inne parametry w otwartym niedawno LHC znacznie przekraczają rekordy RHIC... Czy już wkrótce będziemy badać minidziurki? Wprawdzie powinny one szybko znikać wskutek parowania, ale tak naprawdę nikt nie wie na pewno, co się wówczas stanie.

A może okaże się, że bezpieczniej jest podziwiać czarne dziury z większej odległości?