Wybierzmy się ku Dziurze!

Autor: Zbigniew Mazgaj

Kategoria: Kultura i nauka Artykuł opublikowano w CX News nr 2/60/2017

Wielce Szanowni Państwo!
 
Kanikuła to czas eksploracji, ekskursji i peregrynacji. A to do wód, a to do gór, a to pod gruszę… Wpisując się w tę tradycję, zapraszam Was w miejsce, mam nadzieję, nieporównanie bardziej egzotyczne niż tatrzańska dolinka o wdzięcznej nazwie Ku Dziurze.
By na dobre opuścić ciało niebieskie trzeba się rozpędzić do II prędkości kosmicznej, zwanej też prędkością ucieczki. To jasne już od czasów Newtona. I nie było w tym nic ekscytującego, póki Einstein nie ogłosił, że prędkość światła jest nieprzekraczalna. Dociekliwe umysły zajęło wówczas oczywiste pytanie: czy istnieją obiekty o prędkości ucieczki równej prędkości światła? Takie, z których wnętrza literalnie nic, nawet fotony, nie może się wydostać? Od których światło nie może się nawet odbić, bo nieodwracalnie pochłaniają wszystko co padnie na ich powierzchnię? To właśnie nasza Dziura. Czarna Dziura.
 
Na początku XX wieku Karl Schwarzschild wyprowadził wzór1 na stowarzyszony z każdą masą fikuśny promień, zwany promieniem Schwarzschilda bądź grawitacyjnym. Otóż, jeżeli dowolną masę upchniemy wewnątrz sfery o jej promieniu grawitacyjnym, to prędkość ucieczki na powierzchni tej sfery będzie równa prędkości światła. Mamy przepis, przećwiczmy go więc na Ziemi. Jej promień Schwarzschilda to niespełna 9 cm. Skompaktowanie planety do takich rozmiarów oznaczałoby zmniejszenie objętości circa kwadrylion (1024) razy, a jej średnia gęstość wynosiłaby jakiś trylion (1018) ton na centymetr sześcienny! Było to tak niewyobrażalne, że przez pół wieku czarne dziury traktowano jako ciekawostkę obliczeniową. Do czasu, kiedy odkryto gwiazdy neutronowe.
 
Po wyczerpaniu zapasów paliwa i ustaniu reakcji syntezy jądrowej znika ciśnienie równoważące grawitację i gwiazdy zapadają się pod własnym ciężarem. Większość czeka smętny los białego karła – powoli dogorywającej kupy kosmicznego żużlu zgniecionej do rozmiarów planety. Jednakże gwiazdy 8–10 krotnie masywniejsze od Słońca kończą zgoła inaczej! Ich grawitacja jest tak silna, że miażdży atomy i wpycha elektrony do protonów przekształcając je w neutrony. Kolapsowi towarzyszy jedno z najgwałtowniejszych zjawisk we Wszechświecie – wybuch supernowej. Pozostaje po nim kula zdegenerowanej „materii neutronowej” o gęstości miliardów ton na centymetr sześcienny i średnicy kilkunastu kilometrów. Bardzo blisko promienia Schwarzschilda! Obliczenia zaś wskazywały, że w przypadku gwiazd jeszcze masywniejszych grawitacja pokona ciśnienie neutronów2 i kolaps będzie trwał… Tak znaleziono mechanizm mogący prokurować czarne dziury. Pozostało tylko je odkryć.
 
Ba! Ale jak znaleźć coś, czego nie sposób zobaczyć? Na szczęście mają one masę, więc o ich obecności można wnioskować na podstawie oddziaływań grawitacyjnych. Materia pochwycona przez czarną dziurą opada na nią po spirali. Jeśli jest jej dostatecznie dużo tworzy tak zwany dysk akrecyjny generujący ogromne ilości ciepła na skutek tarcia, zaś zjonizowane i ekstremalnie przyspieszone przez grawitację cząstki winny emitować wysokoenergetyczne promieniowanie. Kiedy więc w gwiazdozbiorze Łabędzia odkryto najjaśniejsze widziane z Ziemi źródło promieniowania rentgenowskiego, wciągnięto je na krótką listę. Dzisiaj wiemy, że to układ podwójny składający się z nieszczęsnej gwiazdy wysysanej przez czarną dziurę.
 
Czarne dziury żreją bez opamiętania. Jednakże, mając skończone rozmiary, nie są w stanie pochłaniać dowolnych ilości materii. Jej nadmiar wypluwają z biegunów w postaci dżetów – strumieni cząstek rozpędzonych niemal do prędkości światła. Jak bardzo mogą się upaść? Bez ograniczeń. Astronomowie sądzą, że w centrum niemal każdej galaktyki tkwi czarna dziura o masie milionów Słońc. Są niczym Janus, bóg początku i końca. Z jednej strony to unicestwiające wszystko nienasycone monstra. Z drugiej strony dżety umożliwiają redystrybucję materii gwiazdowej zawierającej ciężkie pierwiastki niezbędne do powstania życia, zaś wywoływane przez nie fale uderzeniowe mogą tworzyć zaczątki nowych pokoleń gwiazd. Kto wie, być może zawdzięczamy im nasze istnienie?
 
A co się dzieje w ich wnętrzu? Cóż, sferę o promieniu Schwarzschilda nie bez kozery nazwano horyzontem zdarzeń. Nie sposób za niego zajrzeć. Załamuje się na nim również współczesna fizyka, więc wszelkie spekulacje na nic. Taki stan absolutnej niewiedzy fizycy zwą osobliwością.
Tak, tak Moiściewy! Kiedy traficie na ofertę wycieczki ku czarnej dziurze, zapewne będziecie kuszeni pełnym odjazdem. Rzeczywiście, czasoprzestrzeń w jej pobliżu jest tak zakręcona, że można liczyć na iście psychodeliczne doznania. Ale to już zupełnie inna historia. Nie zapomnijcie jednak o dylatacji czasu! Dzień spędzony u dziury może oznaczać kilka miesięcy na Ziemi. Na tę okoliczność ukułem nawet mantrę: Im bliżej wielkich mas, tym wolniej płynie czas! Myślę, że warto ją zapamiętać. Ot tak, na wszelki wypadek.
 
Życzę Państwu wyłącznie pozytywnych doznań.
 
1 Promień Schwarzschilda dany jest banalnym wzorem: RSchw=2GM/c2, gdzie: G – stała grawitacyjna, M – masa ciała, c – prędkość światła
2 Ciśnienie neutronów związane jest z zakazem Pauliego, regułą wedle której w układzie cząstek prawdopodobieństwo znalezienia dwu w takim samym stanie kwantowym jest równe zeru. W szczególności nie mogą znajdować się w tym samym miejscu. W czarnych dziurach łamane są znane prawa fizyki. 



Ostatnio opublikowane artykuły w kategorii Kultura i nauka:

Wielkanocne dywagacje

Wielkanoc kojarzy się nieodparcie ze świętem Pesach, to zaś z wielką peregrynacją z Kemet1 do Erec Israel2. Postanowiłem pochylić się nad tą opowieścią, przy czym moja subiektywna egzegeza ograniczy się tylko do aktu wyjścia, z pominięciem wszelkich zjawisk nadnaturalnych. A zatem do dzieła! 

Andrzej Wajda i Jego architektoniczna pasja

Wszyscy doskonale znają i kojarzą postać polskiego reżysera Andrzeja Wajdy z Jego wybitnymi osiągnięciami filmowymi i teatralnymi. Jego pasja architektoniczna jest może mniej znana ogółowi, niemniej stanowiła niezwykle ważną i ciekawą dziedzinę Jego aktywności. Swoje pomysły i idee związane z tworzeniem architektury traktował równie poważnie, jak filmy.