Czarne dziury:
rozmowa, której nie było

Iza Zamojska, moja sąsiadka ze Starego Gierałtowa, często wypytuje mnie o czarne dziury. Ułożyłem jej pytania i moje odpowiedzi w jedną rozmowę, której naprawdę nie było

Z czarnej dziury nie może wydostać się ani materia, ani światło, ani żadna informacja. Jak więc astrofizycy obserwują czarne dziury?

Tylko pośrednio. Niekiedy widać gwiazdy krążące wokół czarnej dziury. Można wtedy dokładnie wyznaczyć jej masę, a to dlatego, że od czasów Newtona doskonale znamy prawa rządzące ruchem orbitalnym. Większość informacji o astrofizycznych czarnych dziurach zdobyliśmy, analizując obserwowane promieniowanie materii, która do czarnej dziury wpada. Dochodzi ono z najbliższego sąsiedztwa czarnej dziury.

Jak bliskiego?

Porównywalnego z rozmiarami dziury. Przy czym należy pamiętać, że im czarna dziura masywniejsza, tym jest proporcjonalnie większa: masę czarnej dziury określa jej rozmiar.

Jak duże i jak masywne są odkryte już czarne dziury?

Odkryliśmy dwa rodzaje czarnych dziur. Stosunkowo małe, które nazywamy „gwiazdowymi”, gdyż mają masy takie, jak wiele zwykłych gwiazd: od kilku do kilkunastu razy większe od masy Słońca. Gwiazdowe czarne dziury mają rozmiar około 30 km. W naszej Galaktyce tworzą dość ciasne pary z małomasywnymi normalnymi gwiazdami. W takim układzie podwójnym czarna dziura i normalna gwiazda obiegają wspólny środek masy, podobnie jak Ziemia i inne planety obiegają Słońce.

„Supermasywne” czarne dziury mają rozmiary od kilku minut świetlnych do kilku dni świetlnych i są od kilku milionów do kilku miliardów razy masywniejsze od Słońca. Odkryliśmy je w centrach kilku galaktyk, w tym także naszej Galaktyki. Sądzimy, że są obecne w większości galaktyk. Niektóre z nich napędzają kwazary, najpotężniejsze we Wszechświecie niewybuchowe źródła energii.

Skąd bierze się ta potężna energia?

Z grawitacji. Każdy rozumie, że w elektrowniach wodnych źródłem energii elektrycznej jest energia grawitacyjna spadającej wody. Podobnie w kwazarze źródłem jego energii promienistej jest energia grawitacyjna spadającej na czarną dziurę materii. Grawitacja czarnej dziury jest o wiele potężniejsza niż ziemska i dlatego kwazary są o wiele potężniejsze od ziemskich elektrowni, ale zasada jest ta sama.

No dobrze, a skąd pochodzi spadająca na czarne dziury materia?

W układach podwójnych pochodzi z drugiej, normalnej, gwiazdy układu. W centrach galaktyk spadająca materia pochodzi z dalszych części galaktyki lub z rozerwanych przez czarną dziurę blisko przelatujących gwiazd. Grawitacyjne rozrywanie nie jest zresztą wyjątkową cechą czarnej dziury. Nawet planeta może rozerwać w swym polu grawitacyjnym dostatecznie blisko przelatujące ciało: pierścienie Saturna zapewne tak właśnie powstały.

W elektrowniach spadająca woda obraca turbinę. Co jest „turbiną” silnika kwazara?

Akrecja. Materia spada na czarną dziurę po spiralnych torach, tworząc potężny wir, w którym silnie trze o siebie i nagrzewa do bardzo wysokiej temperatury. Dlatego świeci. Ten proces, bardzo skomplikowany w szczegółach, nazywany jest akrecją. Zachodzi nie tylko w kwazarach, ale także w układach podwójnych z gwiazdowymi czarnymi dziurami. Te ostatnie są więc właściwie kwazarami w miniaturze i dlatego często nazywamy je mikrokwazarami. Osiadły w Paryżu Argentyńczyk Felix Mirabel podkreśla nie tylko fundamentalne, ale też całkiem praktyczne znaczenie faktu, iż wiele z własności kwazarów i mikrokwazarów skaluje się odpowiednio do ich masy. Zdaniem Mirabela, badając stosunkowo bliskie, bo znajdujące się w naszej Galaktyce mikrokwazary, możemy wnioskować o naturze bardzo odległych kwazarów.

Czy skalowanie Mirabela rzeczywiście działa?

Stosuję je ostrożnie, bo wiem, że własności akrecji zależą nie tylko od masy czarnej dziury, lecz i od innych czynników, wśród których najważniejsza jest wydajność, z jaką materia pozbywa się ciepła. Wydajność jest duża, gdy większość ciepła zawartego w spadającej materii jest wyświecana, zanim materia wpadnie do czarnej dziury. Spadająca materia ma wtedy kształt bardzo cienkiego dysku, nazywanego dyskiem akrecyjnym Szakury-Suniajewa od nazwisk dwóch moskiewskich astrofizyków, Rosjanina Mikołaja Szakury i krymskiego Tatara Raszyda Suniajewa, którzy trzydzieści lat temu opracowali matematyczny model tego typu akrecji.

Dyski wydajnie pozbywające się ciepła, czyli zrzucające dużo kalorii, są cienkie. Czy wobec tego niewydajne dyski, zrzucające tylko niewiele kalorii, są grube?

To bardzo zabawne skojarzenie. Tak, niewydajne dyski są grube. Sir Martin Rees z Cambridge, światowy autorytet w sprawach akrecji, wprowadził dla nich nazwę „Polish doughnut”, czyli „polski pączek”. Chyba nie tylko z powodu ich kształtu, ale także zapewne dlatego, że zostały wymyślone w Warszawie przez polskich teoretyków: Bohdana Paczyńskiego, Michała Jaroszyńskiego, Marka Sikorę, Maćka Kozłowskiego, i przeze mnie. Wydajność promienista polskiego pączka jest mała, gdyż ciepło zużywa się na rozdęcie spadającej materii do bardzo grubego dysku, a prawie cała jego reszta wpada do czarnej dziury wraz z materią. Polski pączek przypomina kształtem kulę z dwoma wąskimi i długimi wirami wzdłuż osi rotacji. Czarna dziura tkwi w jego środku. Promieniowanie pochodzące z powierzchni wiru jest oczywiście bardzo skupione w kierunku osi. Obserwator w innej galaktyce, na przykład naszej, przez przypadek znajdujący się w osi wąskiej strugi promieniowania, widziałby polski pączek (przez teleskop rentgenowski) jako bardzo jasny, punktowy obiekt. Polskie pączki tłumaczą fenomen potężnych lacertydów, zwanych też blazarami, które w istocie są po prostu kwazarami widzianymi en face.

Zarówno polskie pączki, jak i dyski Szakury-Suniajewa są zupełnie nieprzezroczyste. Światło dochodzi do nas tylko z ich powierzchni, a nie bezpośrednio z ich wnętrza. To sytuacja dobrze znana astrofizykom: tak właśnie świecą gwiazdy.

Czy teoretycy wymyślili inne jeszcze typy akrecji?

Obecnie najintensywniej badane są „adafy”, energetycznie zresztą bardzo zbliżone do polskich pączków, ale różniące się od nich i od dysków Szakury-Suniajewa tym, że są doskonale przezroczyste i świecą całym wnętrzem. Wymyśliłem je wspólnie z Jean-Pierre Lasotą z Paryża i Odedem Regewem z Tel Awiwu, gdy przed kilku laty pracowaliśmy wspólnie w izraelskim Technionie. W Göteborgu przyłączył się do nas Shoji Kato z japońskiego Kioto, mój chiński asystent Xingming Chen i rosyjski kolega Igor Igumenszczew. Jednocześnie i zupełnie od nas niezależnie, wpadli na pomysł adafów Hindus Ramesh Narayan, dziekan wydziału astrofizyki na słynnym amerykańskim Harwardzie i jego koreański doktorant Insu Yi. Połączyliśmy wysiłki i przez ostatnie lata wszyscy wspólnie pracowaliśmy nad rozwinięciem teorii adafów: najczęściej w Göteborgu i Harwardzie, często w Paryżu, a także w Kioto, Trieście, Harwardzie, kalifornijskim Santa Barbara, a nawet w Rejkiawiku na Islandii.

Dlaczego w Rejkiawiku? Czy dlatego, że lubisz egzotyczne podróże?

Głównym powodem mojej i moich kolegów mobilności jest globalizacja astrofizyki, która dokonała się już dawno. Dobieramy się tak, aby nasza praca była profesjonalnie skuteczna. W Rejkiawiku pracowałem z Gulli Björnssonem, profesorem tamtejszego uniwersytetu. Jest on jednym z najlepszych w świecie specjalistów od procesów zachodzących w gorącym, przezroczystym gazie, a więc ważnych dla zrozumienia adafów. Napisaliśmy wspólnie dwie prace i wydali książkę w angielskim Cambridge University Press.

Kosmopolityczność zglobalizowanych astrofizyków jest pozorna, bo nie pozbawia nas ani narodowej tożsamości, ani nawet tej szczególnej, łatwo rozpoznawalnej, narodowej inności wypływającej z domowego wychowania, manier, tradycji, wyczulenia na historię, kulturę i problemy swego kraju. Mirabel jest Argentyńczykiem akurat pracującym w Paryżu (to światowej klasy tancerz argentyńskiego tanga), Suniajew Tatarem w Monachium, ja Polakiem, mieszkającym stale w Starym Gierałtowie i wykładającym w szwedzkim Göteborgu.

Mieszkanie na wsi to inna strona globalizacji, którą bardzo cenię. Jak wiesz, dużo pracuję i dużo piszę właśnie tutaj, w Starym Gierałtowie. Jeszcze bardzo niedawno astrofizyk nie mógłby na serio pracować naukowo, mieszkając na wsi. Teraz to łatwe. Poprzez Internet jestem w stałym kontakcie ze wszystkimi współpracownikami na świecie i korzystam z potrzebnych mi zasobów informacyjnych Harwardu, Cambridge, Warszawy, Paryża. Dzięki globalizacji świat stał się dostępniejszy, jest na wyciągnięcie ręki ze Starego Gierałtowa.

Chwaląc tak globalizację, odbiegłeś od tematu. Wróćmy zatem do czarnych dziur. Czy teoretyczny model adafa został potwierdzony obserwacyjnie?

Tak, znakomicie potwierdzony. Tiziana di Matteo, wybitnie utalentowana młoda Włoszka, która pracowała w Cambridge i Harwardzie, a teraz jest profesorem w Monachium, po starannej analizie wszystkich danych obserwacyjnych doszła do wniosku, że model adafa najlepiej opisuje dane obserwacyjne uzyskane z tych obiektów, w których spodziewamy się istnienia czarnych dziur. Większość astrofizyków zgadza się z tą opinią.

W centrum naszej Galaktyki obserwujemy orbitalny ruch gwiazd wokół ciemnego adafa, o którym wiemy, że ma bardzo mały rozmiar, mniejszy na pewno niż jeden dzień świetlny. Na podstawie praw Keplera precyzyjnie wnioskujemy, że jego masa wynosi około czterech milionów mas Słońca. Jedynie supermasywna czarna dziura może wytłumaczyć tak wielką masę w tak małym obszarze. Podobnie jest w kilku bliskich galaktykach, gdzie obserwacje ruchu orbitalnego bardzo jasnych radiowo obłoków („maserów”) pozwalają na dokładne wyznaczenie masy centrum. Tam też najprawdopodobniej są adafy.

Czy cieszy cię, że wasze teoretyczne koncepcje są potwierdzane przez obserwatorów?

No pewnie, to ogromna satysfakcja. Ale ja sam nie jestem już całkowicie przeświadczony o zupełnej poprawności adafów. Od niedawna modeluje się adafy poprzez superkomputerowe symulacje. Jest to trudne i czasochłonne — jedna symulacja trwa typowo kilka miesięcy nieprzerwanej pracy superkomputera. Na razie umie je wykonać ledwie kilka grup badawczych na świecie. Symulacje zrobione przez Igumenszczewa, we współpracy z Narayanem i ze mną, pokazują, że w adafie rozbudowuje się silna konwekcja, co zasadniczo zmienia jego strukturę. Z tym wnioskiem nie zgadzają się nasi amerykańscy koledzy Steve Balbus i John Hawley, wybitni eksperci i pionierzy takich symulacji.

Dlaczego adafy bez konwekcji zgadzają się lepiej z obserwacjami niż adafy z konwekcją? Dlaczego symulacje Balbusa i Hawleya dają inne wyniki niż nasze? Nie umiem odpowiedzieć na te pytania. Widzę wyraźnie, że nie rozumiem tu czegoś ważnego.

A czy wiadomo, skąd biorą się gwiazdowe i supermasywne czarne dziury?

Tak, bardzo dobrze wiadomo. Gwiazdowe czarne dziury powstają pod koniec życia dostatecznie masywnej gwiazdy, w wybuchu supernowej. Jest on jednocześnie potężną eksplozją i gwałtowną zapaścią, kolapsem grawitacyjnym. Zewnętrzne części gwiazdy gwałtownie eksplodują i zostają odrzucone w spektakularnym błysku tak silnym, że obserwuje się go (przez najsilniejsze teleskopy) nawet z najodleglejszych regionów Wszechświata. Wewnętrzne jądro gwiazdy kolapsuje, ulegając potężnemu ściśnięciu. Zależnie od początkowej masy, kolapsujące jądro staje się albo czarną dziurą, albo gwiazdą neutronową, to znaczy gwiazdą o masie mniejszej niż około trzy masy Słońca i o promieniu około dziesięciu kilometrów. Gwiazdy neutronowe bez wątpienia istnieją. Odkryte w roku 1968 pulsary są gwiazdami neutronowymi właśnie. Za ich odkrycie, pozwól, że przypomnę, Anthony Hewish z Cambridge dostał Nagrodę Nobla.

Choć nie wszystkie istotne szczegóły wybuchu supernowej i grawitacyjnego kolapsu dają się wymodelować w superkomputerowych symulacjach, większość astrofizyków sądzi, że dobrze rozumiemy ich fizyczną naturę, a nasze obecne trudności w modelowaniu tego niezwykle skomplikowanego zjawiska nie są fundamentalne, lecz techniczne, i na pewno zostaną przezwyciężone.

Już w XVIII w. Pierre Simon de Laplace i John Mitchel rozważali gromadzenie materii bez ściskania, jako proces, który może prowadzić do utworzenia się obiektu, który dziś nazywamy supermasywną czarną dziurą. Pokazali, że by utworzyć taki obiekt, wystarczy upakować, powierzchnia przy powierzchni, co najmniej sto milionów gwiazd podobnych do Słońca, bez konieczności indywidualnego ściskania pojedynczych gwiazd. Ciasne upakowanie większej ilości gwiazd także da w wyniku supermasywną czarną dziurę, ale przy znacznie mniejszej ich ilości, na przykład tylko kilkuset gwiazd, indywidualne gwiazdy muszą być dodatkowo ściskane.

Czy takie ciasne pakowanie jest możliwe w wyniku naturalnych procesów astrofizycznych?

Prawie na pewno tak. W centrach galaktyk gęstość przestrzenna gwiazd jest dużo większa niż na peryferiach, na przykład w okolicy Słońca, i dlatego właśnie w centrach panują najlepsze warunki na skuteczne pakowanie. Wyobrażamy sobie, że początkowo niezbyt ciasno upakowane skupisko gwiazd w centrum galaktyki powoli ewoluuje, głównie dlatego, że niektóre z tworzących je gwiazd zderzają się, a inne wylatują ze skupiska. Oba te procesy zwiększają ciasność upakowania, a gdy przekroczy ona pewną krytyczną wartość, ewolucja staje się bardzo gwałtowna. Gwiazdy spadają po spiralnych orbitach na centrum i tak powstaje supermasywna czarna dziura. Szczegóły innych zachodzących podczas takiej ewolucji procesów, na przykład oddziaływanie z gazem i pyłem, wpływ promieniowania grawitacyjnego, wybuchy supernowych, bardzo komplikują ten prosty obraz i dlatego komputerowe symulacje powstawania supermasywnych czarnych dziur są trudne.

Gazeta pisała niedawno o pośrednich czarnych dziurach. Czy to coś pośredniego między gwiazdowymi a supermasywnymi dziurami?

Można tak powiedzieć, gdyż (hipotetyczne na razie) pośrednie czarne dziury miałyby masy od kilkuset do kilku tysięcy mas Słońca. Zaczęto o nich mówić, gdy kilka lat temu odkryto w sąsiednich galaktykach silne punktowe źródła promieniowania rentgenowskiego, czyli tak zwane ULX-y. Ich jasności są pośrednie między kwazarami i mikrokwazarami. Argument skalowania Mirabela sugeruje więc masy ULX-ów od kilkuset do kilku tysięcy mas Słońca. Dodatkowym, ale czysto teoretycznym, argumentem na rzecz pośrednich czarnych dziur jest artykuł opublikowany ostatnio w angielskim Nature przez Simona Zwarta z Amsterdamu i jego amerykańskich i japońskich współpracowników, opisujący wyniki ich superkomputerowych symulacji, które sugerują, jak czarne dziury o pośrednich masach mogłyby się tworzyć w gromadach gwiazd poza centrami galaktyk.

Ale jest też i inne wyjaśnienie. Andrew King z angielskiego Leicester i wielu innych astrofizyków sądzi, że ULX-y mogą być polskimi pączkami: mikrokwazarami w innych galaktykach, przez przypadek zorientowanymi swymi osiami dokładnie w naszym kierunku. Miałyby wtedy masy typowe dla mikrokwazarów, to znaczy około dziesięciu mas Słońca.

Ostateczne rozwiązanie zagadki ULX-ów możliwe będzie tylko wtedy, gdy wyznaczymy ich masę z zupełnie pewnych obserwacji. Wspólnie z Włodkiem Kluźniakiem z Zielonej Góry, Jeffem McClintockiem z Harwardu i Ronem Remillardem z MIT zaproponowałem we właśnie przyjętej do druku pracy, że w tym celu należy starannie obserwować zmienność blasku ULX-ów, aby wykryć bliźniaczą parę prawie periodycznych oscylacji, których częstości mają się do siebie jak 3:2. Takie bliźniacze oscylacje wykryto ostatnio w kilku mikrokwazarach o znanych masach. Obserwacje pokazują, że bliźniacze częstości 3:2 skalują się odwrotnie proporcjonalnie do masy mikrokwazara. Jest to po pierwszy przykład na skalowanie Mirabela, a po drugie piękne potwierdzenie zaproponowanego przez Kluźniaka i przeze mnie wyjaśnienia fizycznej natury bliźniaczych oscylacji jako nieliniowego, parametrycznego rezonansu między wertykalną a radialną oscylacją epicykliczną w bardzo silnym polu grawitacyjnym czarnej dziury.

Otóż gdyby zaobserwowano takie bliźniacze pary z częstościami rzędu kilkuset herców, oznaczałoby to, że ULX-y są mikrokwazarami ze strugami promieniowania ustawionymi dokładnie w naszym kierunku. Gdyby częstości były dziesięciokrotnie mniejsze, oznaczałoby to, że ULX-y są pośrednimi czarnymi dziurami o masach rzędu kilkuset mas Słońca. Częstości mniejsze stukrotnie oznaczałyby, że ULX-y są pośrednimi czarnymi dziurami o masach rzędu tysięcy mas Słońca.

Obraz kwazara 3C273 uzyskany teleskopem Chandra w listopadzie 2000 r. W potężnym dżecie materia przemieszcza się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Skąd czerpie energię? Prawdopodobnie z gazów spadających na czarną dziurę w środku kwazara i odepchniętych przez silne pole elektromagnetyczne w postaci skolimowanej wiązki do dżetu. 3C273 leży w gwiazdozbiorze Panny w odległości przeszło 3 mld lat światła od nas

Czy oprócz gwiazdowych, supermasywnych i (być może) pośrednich czarnych dziur spodziewamy się, że istnieją jeszcze jakieś inne?

W ciągu ostatniego półwiecza teoretycy dobrze przebadali „klasyczne”, to znaczy niekwantowe, własności czarnych dziur. Dają się one matematycznie wyprowadzić z ogólnej teorii względności Alberta Einsteina, która opisuje grawitację jako krzywiznę ciągłej, nieskwantowanej, czasoprzestrzeni. Skwantowanie grawitacji jest najważniejszym z nierozwiązanych problemów fizyki, dlatego że materia w rzeczywistym świecie nie jest klasyczna, lecz kwantowo nieciągła — składa się bowiem z odrębnych, pojedynczych cząstek. Jak wszystko w świecie, grawitacja też jest zapewne nieciągła. Nikt jednak nie wie jak skwantować grawitację. Z tego właśnie powodu nic prawie nie wiadomo o kwantowej naturze czarnych dziur. Stephen Hawking odkrył, iż kwantowe czarne dziury nie są całkiem czarne, lecz promieniują czy, jak mówimy, „parują”. Parowanie czarnej dziury ma tym większą moc, im masa czarnej dziury (w kwadracie) jest mniejsza. Hawking wyprowadził ten bardzo ważny wniosek z teorii przybliżonej, „półklasycznej”, a nie z kwantowej grawitacji, jeszcze nieznanej. Z teorii półklasycznej wynika także możliwość tworzenia się „wirtualnych” czarnych minidziur, o rozmiarach o wiele mniejszych niż najmniejsze cząstki elementarne. Wirtualne dziury powstają z niczego, jako fluktuacje próżni, i prawie natychmiast wyparowują. Spontanicznie powstające i znikające wirtualne czarne dziury tworzą być może czasoprzestrzenną pianę, która jest najbardziej fundamentalnym poziomem fizycznej rzeczywistości. Na tym poziomie pytanie „być albo nie być” nie ma sensu, gdyż wirtualna czarna dziura „jest, nie będąc”.

Księżyc jest empiryczny lub księżyca nie ma, lub księżyc jest, nie będąc: świeci, bo kazano w podręczniku algebry. Nam nic nie jest dane.

Bardzo lubię ten mądry wiersz Marka Rymkiewicza, którego zakończenie zacytowałaś. Zapamiętałem go w całości od razu, gdy pierwszy raz czytałem „W obronie metafizyki”, jeszcze w gimnazjum. Ale znów odbiegam od tematu, a jest jeszcze jeden typ czarnych dziur, o którym nie mówiliśmy: pierwotne czarne dziury.

Zostańmy przy Księżycu i zapytajmy, czy można zrobić z niego czarną dziurę. Hipotetyczna czarna dziura o masie równej masie Księżyca miałaby rozmiar trochę mniejszy niż centymetr. Przy ściskaniu Księżyca do tak małych rozmiarów uległyby rozbiciu atomy i zaczęłyby się „dotykać” cząstki tworzące ich jądra — gęstość osiągnęłaby wtedy gęstość jądrową. Aby utworzyć z Księżyca czarną dziurę, trzeba by było ścisnąć materię jeszcze bardziej, do gęstości znacznie większych niż jądrowa. W poznanym Wszechświecie nie potrafimy wskazać na żaden naturalny proces, który jest w stanie to osiągnąć.

Z jednym wyjątkiem. Na samym początku świata, w Wielkim Wybuchu, materia miała gęstość o wiele większą niż gęstość jądrowa. Mogły więc wtedy powstać centymetrowe oraz oczywiście mniejsze i większe „pierwotne” czarne dziury. Pierwotne czarne dziury, które przetrwały do dzisiaj, muszą koniecznie mieć masy nie mniejsze niż około miliard ton, co jest masą dużej góry na Ziemi. Miliardotonowe i mniejsze pierwotne czarne dziury wyparowałaby bowiem do dziś zupełnie, zgodnie z odkryciem Hawkinga, że czarne dziury parują tym intensywniej, im są mniejsze. Tylko większe czarne dziury mogłyby przetrwać do naszych czasów. Jednak mimo usilnych poszukiwań, nie udało się obserwacyjnie stwierdzić istnienia takich ponadmiliardtonowych pierwotnych czarnych dziur. Nikt więc na pewno nie wie, czy istnieją. Niektórzy sądzą, że pierwotne czarne dziury są znaczącą częścią ciemnej materii w naszej Galaktyce i innych galaktykach, ale to moim zdaniem tylko spekulacja.

Dlaczego?

Przypomnę najpierw, co to jest ciemna materia. Otóż materii, którą w Galaktyce widzimy, jest o wiele za mało, aby wytłumaczyć obserwowany w Galaktyce ruch gwiazd. Z tego ruchu wylicza się bowiem, jak silna jest grawitacja materii, która go powoduje, a stąd, ile musi być w Galaktyce materii, aby taką grawitację wywołać. Wynik jest zaskakujący: aby taką grawitację wywołać, powinno być o wiele więcej materii niż to, co widać. Zatem większość materii w Galaktyce to jakaś niewidoczna „ciemna materia”. Choć ten argument przyjmuje ogół astrofizyków, na razie zupełnie nie wiemy, z czego się ciemna materia składa. Bardzo wątpię, że składa się ona głównie z małych, pierwotnych czarnych dziur.

A gdyby jednak?

No, to wtedy mielibyśmy pewną, zresztą bardzo małą, szansę na spotkanie się z czarną dziurą bezpośrednio — Ziemia mogłaby się z taką dziurą zderzyć.

Co by się wtedy stało?

Z prostych rachunków wynika, że nic groźnego, a nawet nic specjalnie ciekawego. Nie wiemy, oczywiście, jaka jest typowa masa hipotetycznych czarnych dziur tworzących ciemną materię. Im ta masa mniejsza, tym zderzenia z Ziemią byłyby częstsze, ale też ich skutki mniejsze. Hipotetyczne miliardotonowe czarne dziury zderzałyby się z Ziemią częściej niż raz na sto milionów lat, czyli stosunkowo często. Ale taka dziura, o rozmiarach mniejszych niż rozmiar atomu, przeleciałaby przez Ziemię bez oporu, nikt by tego nie zauważył. Natomiast hipotetyczne pierwotne czarne dziury, które miałyby masy dostatecznie duże na to, by zderzenie wywołało kataklizm, zderzałyby się z Ziemią o wiele rzadziej niż raz w ciągu wieku Wszechświata, a więc praktycznie nigdy.

Muszę też przypomnieć, że samo istnienie ciemnej materii jest kwestionowane przez kilku wybitnych ekspertów, w tym Mordechaja Milgroma z Tel Awiwu. Milgrom bardzo rzeczowo dowodzi, że opisane wyżej obserwacje, które inni tłumaczą obecnością ciemnej materii, dają się precyzyjnie wyjaśnić przez drobną, lecz zasadniczą, zmianę teorii grawitacji.

Nie wiemy, czy pierwotne czarne dziury istnieją. Nie wiemy, czy są znaczącą częścią ciemnej materii. Natomiast wiemy na pewno, że jeśli tak jest, to takie czarne dziury są zupełnie niegroźne.

A gwiazdowe i supermasywne czarne dziury?

Zderzenie Ziemi z supermasywną lub gwiazdową czarną dziurą jest praktycznie wykluczone…

…ale ja pytam, jak mocne są dowody na istnienie gwiazdowych i supermasywnych czarnych dziur?

Wspomniany kilkakrotnie Ramesh Narayan z Uniwersytetu Harwarda twierdzi, że zdobyliśmy już niepodważalne dowody na istnienie gwiazdowych czarnych dziur. Jego dwa piękne argumenty dotyczą samej istoty rzeczy: w swym zamyśle pokazują, że to, co obserwujemy jako „kandydatkę” na czarną dziurę, jest obiektem bez powierzchni, do którego wszystko wpada i nic nie wylatuje.

Pierwszy argument był sformułowany po raz pierwszy, jak dobrze pamiętam, przez Lasotę. Narayan rozwinął go i upowszechnił w wielu publicznych wystąpieniach. Gdy obserwujemy dwa podobne ciasne układy podwójne (ważne jest, że w obu tyle samo materii wypływa z normalnej gwiazdy), pierwszy układ z gwiazdą neutronową, a drugi z „kandydatką” na czarną dziurę, stwierdzamy, że wyraźnie więcej promieniowania przychodzi z układu pierwszego. To dlatego, twierdzi Narayan, że w przypadku układu z czarną dziurą znaczna część promieniowania przepada bez śladu we wnętrzu dziury.

Drugi argument przywołuje dobrze znany fakt, iż układy podwójne z kandydatkami na czarną dziurę nigdy nie wykazują intensywnych błysków promieniowania rentgenowskiego, jakie obserwujemy z układów z gwiazdami neutronowymi. Wiadomo, że te błyski to termojądrowe wybuchy na powierzchni gwiazdy neutronowej powstające, gdy na powierzchni zgromadzi się dostateczna ilość materii spadającej z drugiej gwiazdy układu. Zatem do błysków jest potrzebna powierzchnia. Dlatego absencja błysków jest, zdaniem Narayana, ewidencją na absencję powierzchni: kandydatka nie ma powierzchni, a obiekt bez powierzchni może być tylko czarną dziurą.

Ale przecież „absencja ewidencji nie jest ewidencją absencji”, czyż nie?

Rzeczywiście, argumenty Narayana nie są nieskazitelne pod względem logicznym. To są argumenty, a nie dowody. Choć jestem pod ogromnym wrażeniem elegancji i prostoty argumentów Narayana, nie uznaję ich jako ostatecznego dowodu na istnienie czarnych dziur. Moje poważne wątpliwości mają jeszcze inne źródło niż, podkreślone przez ciebie, braki logiczne. Dwaj amerykańscy fizycy, Paweł Mazur i Emil Mottola, przedstawili niedawno fizycznie głębokie i matematycznie piękne argumenty, że efekty kwantowe w bardzo silnej grawitacji powodują, iż zamiast czarnych dziur istnieją grawastary — ciała o podobnych rozmiarach i masach, lecz posiadające zewnętrzną powierzchnię i wewnętrzną strukturę, której czarne dziury nie mają. Powierzchnia grawastara to skorupa o grubości porównywalnej z rozmiarami wirtualnej czarnej dziury i zbudowana z materii, w której prędkość dźwięku równa jest prędkości światła. Wewnątrz mieści się jądro, zbudowane ze skoncentrowanej ciemnej energii. Być może tej samej, która w stanie bardzo rozrzedzonym wypełnia równomiernie cały Wszechświat i z powodu swego ujemnego ciśnienia powoduje, że Wszechświat rozszerza się ze wzrastającą prędkością ekspansji.

Gdyby było tak, jak twierdzą Mazur i Mottola, astrofizycy mieliby prawdziwy kłopot, ponieważ obserwacyjne odróżnienie astronomicznej czarnej dziury od astronomicznego grawastara nie jest praktycznie możliwe. Pokazuje to niedawno opublikowana praca autorstwa Lasoty, Kluźniaka i mojego. Okazuje się, że pierwszy argument Narayana nie działa, gdyż grawastary są praktycznie tak samo ciemne jak czarne dziury. I w jednym, i w drugim wypadku świeci tylko spadająca na ten ciemny obiekt materia. Także drugi argument Narayana nie jest prawdziwy, gdyż spadająca na grawastary materia ulega przemianie fazowej na materię bez jąder, bez których nie może być wybuchów jądrowych. Brak błysków rentgenowskich jest więc wspólną cechą układów tak z czarnymi dziurami, jak i z grawastarami.

Czy więc to, co widzimy, to czarne dziury czy grawastary?

Jak większość astrofizyków, optuję za czarnymi dziurami. Ale w fizyce prawdy nie ustala się przez głosowanie. Wielu najważniejszych odkryć dokonano „pod prąd”, przeciwko opinii większości. Grawastary to bardzo poważna idea, o prawdziwości której rozstrzygnąć mogą tylko obserwacje. Staram się więc wymyślić jakiś sposób na to, by obserwacyjnie odróżnić grawastary od czarnych dziur. Nie mam na to dobrego pomysłu. Nikt nie ma. Nie wiem, naprawdę nie wiem.

Autor jest profesorem astrofizyki na Uniwersytecie w Göteborgu w Szwecji i Prezydentem Departamentu Fizyki tamtejszego uniwersytetu. Jego specjalnością jest astrofizyka relatywistyczna i kosmologia