Czy wszechświat naprawdę jest jedną wielką czarną dziurą?

Następujący fragment pochodzi z naszego biuletynu Zagubieni w Przestrzeni-Czasie. Co miesiąc wydajemy klawiaturę fizykowi lub matematykowi, który opowie Ci o fascynujących pomysłach z ich zakątka wszechświata. Możeszzapisać się na Zagubieni w Przestrzeni-Czasie tutaj.

„Więc napisałeś książkę o czarnych dziurach?”

Nieznajomy łyka łyk ze swojego koktajlu. Jesteśmy na przyjęciu i przedstawiają mi goście. Uprzejmie kiwam głową, mieszając moją pina coladę.

„No to powiedz mi” – kontynuuje nieznajomy, intensywnie wpatrując się w moje oczy – „czy to naprawdę prawda, że cały wszechświat to czarna dziura?”

Nie jestem zaskoczony. To jedno z najczęstszych pytań, które usłyszałem, mówiąc ludziom, że spędziłem lata rozmawiając z naukowcami i odwiedzając obserwatoria, aby dowiedzieć się, co obecnie wiemy o tych kosmicznych behemotach.

I nic dziwnego, że ludzie chcą wiedzieć. Nagłówki prasowe regularnie sugerują, że błyskające galaktyki, które widzimy, spoglądając w przestrzeń, mogą być uwięzione w ogromnej czarnej dziurze. Filmy omawiające takie pomysły osiągają miliony wyświetleń na YouTube. I chociaż brzmi to jak coś z powieści science fiction, nie jest to pozbawione sensu. Badania naukowe tego pomysłu sięgają co najmniej 1972 roku, kiedy fizyk Raj Kumar Pathria opublikował list w czasopiśmie „Nature” zatytułowany „Wszechświat jako czarna dziura”. Od tego czasu to niewiarygodne twierdzenie regularnie powraca.

Więc czy to prawda?

Jak stworzyć czarną dziurę

Prościej mówiąc, czarna dziura to obszar przestrzeni, w którym grawitacja jest tak silna, że nic, nawet światło, nie może z niego uciec.

Te enigmatyczne obiekty zostały początkowo odkryte matematycznie przez astronoma Karla Schwarzschilda podczas pierwszej wojny światowej. W tym czasie, kiedy słyszał grzmoty z bitew toczących się na froncie francusko-niemieckim, badał, co wynikłoby z publikowanych właśnie równań Alberta Einsteina dotyczących ogólnej teorii względności w zakresie ruchu planet i struktury gwiazd.

Schwarzschild natrafił na formułę, która opisuje, jak przestrzeń i czas mogą zachowywać się w sposób straszliwie niespójny z naszym doświadczeniem świata, zwijając się na siebie i tworząc rodzaj obszaru, później nazwanego czarną dziurą.

Odkrycie Schwarzschilda doprowadziło do głębokiego zrozumienia, jak działają czarne dziury. Weźmy daną masę, taką jak ciało ludzkie, planeta czy gwiazda. Teraz sprężmy ją wewnątrz objętości zdefiniowanej wzorem Schwarzschilda, et voila! Powstała czarna dziura.

Ta krytyczna objętość zależy od masy obiektu. Dla ciała ludzkiego jest to absurdalnie małe: sto razy mniejsze niż proton. Dla Ziemi jest to wielkość piłki golfowej, a dla Słońca odpowiada to mniej więcej rozmiarowi centrum Los Angeles (około 6 kilometrów, czyli nieco poniżej 4 mil).

Widać więc, że tworzenie czarnych dziur jest trudne. W normalnych okolicznościach materia po prostu nie lubi być ściskana w tak ekstremalnie wysokie gęstości. Tylko najbardziej katastroficzne procesy we wszechświecie – jak eksplozje bardzo masywnych gwiazd w supernowych – mogą zmusić materię do kolapsu na siebie i stworzenia czarnej dziury.

Jednak historia tworzenia czarnych dziur ma swoje zakręty. Podczas gdy te stworzone z eksplozji gwiazd pochodzą od wyjątkowo gęstej materii, ich znacznie więksi kuzyni supermasywni, którzy znajdują się w centrum większości galaktyk, mają dość niską gęstość. Według wzoru Schwarzschilda, im większa jest czarna dziura, tym więcej pustki zawiera, a niższa jest jej średnia gęstość (w pewnym sensie, w rzeczywistości gęstość skomplikowanego obiektu przestrzenno-czasowego takiego jak czarna dziura nie jest łatwa do zdefiniowania). Największe zaobserwowane czarne dziury mają więc średnią gęstość mniejszą niż powietrze!

Więc co z tym wszechświatem? Biorąc pod uwagę, że składa się głównie z pustki, czy jego skrajnie niska gęstość nadal odpowiada tej czarnej dziurze?

Ocena rozmiarów wszechświata

Dzięki formule Schwarzschilda astronomowie dysponują narzędziem do określenia, czy dany obiekt jest czarną dziurą: po pierwsze, zmierz jego masę; po drugie, ustal jego objętość. Jeśli masa obiektu zawarta w objętości jest mniejsza niż ta zdefiniowana przez formułę Schwarzschilda, powinien być czarną dziurą.

Stosujmy więc ten przepis do całego wszechświata. Aby to zrobić, musimy poznać jego masę i objętość. Jednak ponieważ nie możemy przemierzyć całego wszechświata z niebieskim liniałem i zmierzyć jego prawdziwej szerokości, niemożliwe jest poznanie jego całkowitego rozmiaru. Jedynie możemy obserwować światło i cząstki, które dochodzą do nas z odległych zakątków przestrzeni.

Najstarszym światłem, które możemy zobaczyć, jest tło promieniowania mikrofalowego kosmicznego. Powstało ono zaledwie 380 000 lat po Wielkim Wybuchu. Ponieważ wszechświat się rozszerza, punkty, z których to światło zostało wyemitowane, znajdują się teraz o wiele dalej od nas. Całkowita odległość, jaką to światło mogło przebyć od Wielkiego Wybuchu, definiuje obserwowalny wszechświat, który ma średnicę 93 miliardów lat świetlnych.

Dzięki mozolnym pomiarom wykonanym przez kilka dziesięcioleci, astronomowie ustalili, jak duża jest masa zawarta w tej objętości: około 10⁵⁴ kg (czyli 1, po którym następuje 54 zer, co ma wymyślną nazwę jedenaście nilionów).

Teraz policzmy hipotetyczny rozmiar czarnej dziury o masie jedenadziecilion kilogramów. Wprowadzając tę liczbę do formuły Schwarzschilda, po kilku operacjach matematycznych staje przed nami zdumiewająca odpowiedź: taka czarna dzi