Niektóre rzeczy w kosmologii mogą po prostu być niewiadome. Dlaczego istnieje coś, zamiast niczego? Co znajduje się poza wszechświatem? Co jest wewnątrz czarnej dziury? To ostatnie pytanie dręczyło astrofizyków od ponad wieku, ale mogą być na skraju jego rozwiązania.
Tradycyjna odpowiedź brzmi, że wewnątrz czarnej dziury jest singularity: nieskończenie mały punkt o nieskończonej gęstości. Jeśli singularności są rzeczywiste, to może to przynieść nam głębokie wnioski – nie tylko o czarnych dziurach, ale także o naszym zrozumieniu fizyki jako całości. Jednak nic, a nawet światło, nie może uciec z czarnej dziury. Dlatego od dawna uważano, że jest niemożliwe ustalenie, czy te wydawać się niemożliwe punkty rzeczywiście istnieją, czy też istnieje jakaś nieznana fizyka, która uniemożliwia ich powstawanie. Ale jeśli nie ma singularytów, czy czarne dziury są naprawdę czarnymi dziurami?
Nowa grupa astronomów pracuje obecnie nad teoriami i narzędziami, które mogą pomóc to dokładnie ustalić.
„Weszliśmy w nową erę. Ten temat przerodził się z czysto matematycznej dyscypliny, niezwiązanej z obserwacją, w rozwijające się pole z bogatymi powiązaniami między teorią a eksperymentem. Wydaje się, że to jest trochę złota era,” mówi Alexandru Lupsasca, badacz czarnych dziur na Uniwersytecie Vanderbilt w Tennessee.
Ta nowa era została zapoczątkowana przez poszukiwania teorii wykraczającej poza ogólną teorię względności, która jest naszym obecnym najlepszym opisem grawitacji. W 1915 roku Albert Einstein słynnie wyprowadził równania pola ogólnej teorii względności, opisujące jak kontinuum czasoprzestrzeni – niewidoczna „tkanina” wszechświata – może się rozszerzać, wyginać i kręcić w zależności od ilości masy lub energii w nim zawartej.
Nie minęło wiele czasu od publikacji równań przez Einsteina, gdy fizyk Karl Schwarzschild odkrył ziarno ich unicestwienia. Służąc w niemieckiej armii podczas pierwszej wojny światowej, Schwarzschild użył równań Einsteina, aby znaleźć wartość znana dziś jako promień Schwarzschilda.
Essentially mówi on, na jakim rozmiarze obiekt niebieski stanie się czarną dziurą na podstawie jego masy. O ile obiekt jest większy niż promień Schwarzschilda, istnieje on nadal normalnie. Ale jeśli stanie się mniejszy, to grawitacja jego materii będzie tak silna, że nic w znanym wszechświecie nie będzie w stanie jej powstrzymać. Materia wewnątrz promienia Schwarzschilda – który teraz definiuje kulistą granicę znana jako horyzont zdarzeń – zapada się swobodnie, tworząc singularność.
To daje nam tradycyjną strukturę czarnej dziury: singularity otoczona horyzontem zdarzeń. Gdy przekroczysz horyzont zdarzeń, jesteś stracony na zawsze, ponieważ pociąg grawitacyjny czarnej dziury jest przytłaczający.
Szukanie singularności
Ale dla fizyków singularności oznaczają problemy – nie powinny one fizycznie istnieć. „Singularności są bezsensowne. Powstanie singularności stanowi jedynie oświadczenie, że same równania mówią, 'Hej, nie wiemy, co się dzieje, i musimy zostać zastąpieni przez głębszą teorię,’” mówi Lupsasca.
Decydującym problemem jest to, że istnieje teraz przytłaczający zbiór dowodów na to, że czarne dziury istnieją. Astronomowie widzą je wszędzie we wszechświecie: w centrach galaktyk, po eksplozjach gwiazd i dzięki pracy Laserowego Obserwatorium Fali Grawitacyjnych (LIGO), w jaki sposób stawiają one cały wszechświat w drżeniu.
LIGO ogłosiło swoje pierwsze bezpośrednie wykrycie tych subtelnych drgań w tkance wszechświata, nazywane falami grawitacyjnymi, w 2016 roku. Są one kluczowymi przewidywaniami ogólnej teorii względności i najlepiej generowane przez zderzenie dwóch czarnych dziur. Kilka lat po pierwszej detekcji przez LIGO, w 2019 roku, Konsorcjum Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT) opublikowało pierwszy w historii obraz czarnej dziury. Nagle społeczność astronomiczna zaczęła zdawać sobie sprawę, że czarne dziury nie były już tylko domeną teoretyków.
„Oczywiście, fakt istnienia lepszych danych obserwacyjnych sprawił, że ludzie bardziej zaczęli myśleć o czarnych dziurach. Po prostu dlatego, że masz więcej danych, możesz badać więcej tych obiektów,” mówi Raúl Carballo-Rubio na Międzynarodowej Szkole Studiów Zaawansowanych we Włoszech, który zbadał, jak nowe techniki obserwacyjne mogą pomóc w końcu odpowiedzieć na pytanie, co tak naprawdę jest wewnątrz czarnej dziury.
Jeśli czarne dziury rzeczywiście istnieją, to niekoniecznie oznacza, że singularności muszą również być rzeczywiste. Faktycznie, jest powszechne przekonanie wśród astrofizyków, że nie są, a ich pojawienie się w równaniach po prostu mówi nam, gdzie szukać nowej fizyki. „Mamy Newtona, mamy Einsteina, a następnie mamy kolejną warstwę rzeczywistości poza teorią Einsteina. Singularności mówią nam, gdzie tego szukać,” mówi Carballo-Rubio.
Aby odkryć tę następną warstwę, fizycy zaproponowali nowe procesy fizyczne, które zatrzymują powstawanie singularności. Teoretycy nazywają to regularizacją czarnych dziur i (być może myląco) odnoszą się do czarnych dziur wolnych od singularności, które mogą tworzyć w ten sposób, jako „regularnych” czarnych dziur.
Najczęściej stosowanym podejściem jest hipotetyczna nowa siła natury, która opiera się grawitacji i wzrasta w siłę wraz ze wzrostem gęstości materii. Zostałaby ona na tyle silna, aby dać się odczuć tylko w skrajnych gęstościach znajdujących się wewnątrz czarnej dziury, co wyjaśnia dlaczego nie widzieliśmy jej we wszechświecie jako takim. Wewnątrz czarnej dziury jednak ta siła wytworzyłaby jądro składające się z niezwykle – ale nie nieskończenie – gęstej materii.
Może to brzmieć stosunkowo prosto, ale jak mówi Carballo-Rubio, faktyczne udowodnienie istnienia takiej siły to zupełnie inna sprawa. Aby to potwierdzić, astronomowie muszą znaleźć jakiś rodzaj sygnału obserwacyjnego poza samą czarną dziurą. „Kiedy regularizujesz czarną dziurę, może to zmieniać jej pole grawitacyjne. Czyli spodziewasz się pewnych małych efektów, które mogą pojawić się poza czarną dziurą,” mówi Carballo-Rubio.
Na przykład, czarna dziura może obracać się inaczej, albo może wyginać czasoprzestrzeń na zewnątrz w niespodziewany sposób. Obydwa te potencjalne efekty są znane od lat 70., kiedy fizyk James Bardeen zbadał, czy istnieją sygnały obserwacyjne, które mogłyby potwierdzić lub obalić istnienie singularytów wewnątrz czarnych dziur. Jednak bez technologii pozwalającej dokonać tych obserwacji, pomysły te umarły. Teraz technologia w końcu dogania półwieczną pracę Bardeena, a jego pomysły są odradzane.
Jednym szczególnie obiecującym pomysłem, który teraz otrzymuje nowe życie, jest obliczenie Bardeena ścieżek, jakie promienie światła przyjmują przechodząc obok czarnej dziury na różnych odległościach. Większość fotonów światła będzie pędzić wprost obok czarnej dziury, odbijane od niej przez jej grawitację. Te, które są najbliżej, zostaną złapane i wpadną do wewnątrz horyzontu zdarzeń.
Pomiędzy tymi dwoma możliwościami, zidentyfikował obszar krytyczny blisko horyzontu zdarzeń, w którym fotony mogą być tymczasowo wchwytywane w orbity wokół czarnej dziury, zanim wrócą z powrotem do wszechświata. Oznacza to, że czarna dziura zawsze byłaby otoczona jasnym pierścieniem tych wychodzących fotonów.
Są to najszcześliwsze fotony we wszechświecie, ponieważ zbliżyły się tak blisko, jak jest to możliwe do czarnej dziury, nie tracąc ich na zawsze. A każde odejście od oczekiwanego kształtu i wielkości pierścienia fotonów zgodnie z teorią względności mogłoby być dowodem na nową fizykę wewnątrz horyzontu zdarzeń.
Analiza obrazu czarnej dziury EHT z 2019 roku ujawniła, że światło wokół samej czarnej dziury to połączenie świecącego materiału opadającego do zapomnienia i światła z pierścienia fotonowego. Ale aby znaleźć jakiekolwiek sygnały będące tego potwierdzenie, te dwa źródła światła będą musiały zostać odseparowane od siebie. Choć obecnie trwają modernizacje EHT, które zwiększą jego czułość, aby faktycznie rozdzielić pierścień fotonowy od wpływającej materii, potrzebny będzie większy teleskop. To znaczny problem, ponieważ EHT już łączy dane z radioteleskopów rozproszonych na całej planecie, co w efekcie daje teleskop o wielkości Ziemi.
