U zamršenim odajama crnih rupa sudaraju se dvije temeljne teorije o našem svijetu. Postoje li uistinu crne rupe? Čini se da da. Mogu li se riješiti temeljni problemi koji se pojave nakon pomnijeg pregleda crnih rupa? Nepoznata. Da biste shvatili s čime se znanstvenici bave, morat ćete se zaviriti malo u povijest proučavanja ovih neobičnih predmeta. A počet ćemo s činjenicom da od svih sila koje postoje u fizici postoji jedna koju uopće ne razumijemo: gravitacija.
Gravitacija je sjecište temeljne fizike i astronomije, granica na kojoj se sudaraju dvije najosnovnije teorije koje opisuju naš svijet: kvantna teorija i Einsteinova teorija prostora-vremena i gravitacije, aka opća relativnost.
Crne rupe i gravitacija
Čini se da su te dvije teorije nespojive. A to nije ni problem. Oni postoje u različitim svjetovima, kvantna mehanika opisuje vrlo malo, a opća relativnost vrlo je velika.
Tek kada dođete do izuzetno malih razmjera i ekstremne gravitacije, dvije se teorije sudaraju i nekako se jedna od njih pokaže pogrešnom. U svakom slučaju, to proizlazi iz teorije.
Ali postoji jedno mjesto u svemiru gdje smo zapravo mogli svjedočiti ovom problemu i možda ga čak riješiti: rub crne rupe. Ovdje susrećemo najekstremniju gravitaciju. Ali postoji jedan problem: nitko nikad nije "vidio" crnu rupu.
Promotivni video:
Što je crna rupa?
Zamislite da se sva drama u fizičkom svijetu odvija u kazalištu prostora-vremena, ali gravitacija je jedina sila koja zapravo mijenja kazalište u kojem se igra.
Snaga gravitacije kontrolira svemir, ali možda to čak nije ni sila u tradicionalnom smislu. Einstein ga je opisao kao posljedicu deformacije prostora-vremena. A možda se jednostavno ne uklapa u Standardni model fizike čestica.
Kada vrlo velika zvijezda eksplodira na kraju svog života, njezin se unutarnji dio urušava pod vlastitom gravitacijom, jer više nema dovoljno goriva za održavanje pritiska protiv gravitacije. Uostalom, gravitacija je još uvijek sposobna izvršiti silu, čini se ovako.
Materija se urušava i nijedna sila u prirodi ne može ostaviti ovaj kolaps.
Tijekom beskonačnog vremena, zvijezda se srušava u beskonačno minimalnu točku: singularnost ili, nazovimo to, crnu rupu. Ali u konačnom vremenu, naravno, zvjezdana jezgra će se srušiti na nešto konačnih dimenzija, i još uvijek će imati ogromnu masu na beskonačno malom području. A nazvat će se i crnom rupom.
Crne rupe ne usisavaju sve oko sebe
Neobično je da je ideja da će crna rupa neizostavno sve usisati u sebe pogrešna.
Zapravo, bilo da orbitirate oko zvijezde ili crne rupe formirane od neke zvijezde, nije važno sve dok masa ostane ista. Dobra staromodna centrifugalna sila i vaš kutni zamah će vas zaštititi i spriječiti vam pad.
Tek kada aktivirate raketne kočnice kako biste prekinuli zavrtanje koje počinjete padati prema unutra.
Međutim, čim počnete padati u crne rupe, postupno ćete ubrzavati do sve većih brzina dok konačno ne postignete brzinu svjetlosti.
Zašto su kvantna teorija i opća relativnost nespojivi?
Trenutno je sve na komadu, jer se u skladu s općom relativnošću ništa ne može kretati brže od brzine svjetlosti.
Svjetlost je supstrat koji se koristi u kvantnom svijetu za razmjenu sila i transport informacija u makrokozmos. Svjetlo određuje kako brzo možete povezati uzroke i posljedice. Ako se krećete brže od svjetlosti, možete vidjeti događaje i promijeniti stvari prije nego što se dese. A to ima dvije posljedice:
- Na mjestu gdje postižete brzinu svjetlosti padanjem prema unutra, također morate poletjeti s te točke još većom brzinom, što se čini nemogućim. Stoga će vam konvencionalna fizička mudrost reći da ništa ne može ostaviti crnu rupu razbijanjem ove barijere, koju također nazivamo "horizont događaja".
- Iz toga također proizlazi da se osnovni principi očuvanja kvantne informacije iznenada krše.
Je li to istina i kako možemo izmijeniti teoriju gravitacije (ili kvantnu fiziku) pitanja su na koja mnogi fizičari traže odgovore. I nitko od nas ne može reći s kojim ćemo argumentima završiti.
Postoje li crne rupe?
Očito bi sve to uzbuđenje bilo opravdano samo ako u ovom svemiru stvarno postoje crne rupe. Pa postoje li?
U prošlom stoljeću je dokazano da su neke binarne zvijezde s intenzivnim X-zrakama zapravo zvijezde koje su se srušile u crne rupe.
Štoviše, u centrima galaksija često nalazimo dokaze o ogromnim koncentracijama tamne mase. To bi mogle biti supermasivne verzije crnih rupa, vjerojatno nastale spajanjem mnogih zvijezda i plinskih oblaka koji su se uronili u središte galaksije.
Dokazi su snažni, ali posredni. Gravitacijski valovi omogućili su nam da barem „čujemo“spajanje crnih rupa, ali potpis horizonta događaja još uvijek je neuhvatljiv i nikada do sada nismo „vidjeli“crne rupe - one su jednostavno premale, previše udaljene i u većini slučajeva previše crne.
Kako izgleda crna rupa?
Ako pogledate izravno u crnu rupu, vidjet ćete najmračniju tamu koja se može zamisliti.
Ali neposredna okolina crne rupe može biti dovoljno svijetla jer plinovi spirali prema unutra - usporavaju zbog otpora magnetskog polja koje nose.
Zbog magnetskog trenja, plin se zagrijava do enormnih temperatura od nekoliko desetaka milijardi stupnjeva i počinje emitirati ultraljubičasto i X-zrake.
Ultra vrući elektroni koji djeluju s magnetskim poljem u plinu počinju stvarati intenzivnu radio emisiju. Dakle, crne rupe mogu svijetliti i mogu biti okružene vatrenim prstenom koji se emitira na različitim valnim duljinama.
Vatreni prsten s crno-crnim središtem
Pa ipak, točno u sredini, horizont događaja hvata poput ptice grabljivice svaki foton koji se previše približi.
Budući da je prostor zakrivljen ogromnom masom crne rupe, svjetlosni se putevi također savijaju i čak formiraju gotovo koncentrične krugove oko crne rupe, poput zmija oko duboke doline. Ovaj prsten svjetlosnog efekta izračunao je već 1916. godine poznati matematičar David Hilbert, samo nekoliko mjeseci nakon što je Albert Einstein završio svoju teoriju opće relativnosti.
Nakon što nekoliko puta pređete crnu rupu, neke svjetlosne zrake mogu pobjeći, dok će druge završiti na horizontu događaja. Na ovom zamršenom putu svjetla možete doslovno zaviriti u crnu rupu. A "ništa" koje vam se pokaže, bit će horizont događaja.
Kad biste slikali crnu rupu, vidjeli biste crnu sjenu okruženu užarenom maglom svjetlosti. Ovu značajku smo nazvali sjenom crne rupe.
Čini se da je ova sjena veća nego što bi se moglo očekivati ako uzmemo promjer horizonta događaja kao njegovo podrijetlo. Razlog je taj što crna rupa djeluje poput džinovske leće, pojačavajući se.
Okolina sjena bit će predstavljena sićušnim "fotonskim prstenom" zbog svjetlosti koja se vrti oko crne rupe gotovo zauvijek. Osim toga, vidjet ćete više svjetlosnih prstenova koji se pojavljuju u blizini horizonta događaja, ali koncentrirani oko sjene crne rupe zbog efekta leće.
Fantazija ili stvarnost?
Može li crna rupa biti pravi izum koji se može modelirati samo na računalu? Ili to možete vidjeti u praksi? Odgovor: moguće je.
U svemiru postoje dvije relativno velike supermasivne crne rupe koje su toliko velike i blizu da se njihove sjene mogu uhvatiti pomoću suvremene tehnologije.
U središtu našeg Mliječnog puta nalaze se crne rupe udaljene 26 000 svjetlosnih godina s masom 4 milijuna puta većom od Sunčeve mase i crnom rupom u golemoj eliptičnoj galaksiji M87 (Messier 87) s masom od 3 do 6 milijardi solarnih masa.
M87 je tisuću puta udaljenija, ali tisuću puta masivnija i tisuću puta veća, pa će oba predmeta imati približno isti promjer sjene projicirane na nebo.
Pogledajte zrno senfa u New Yorku iz Europe
Prema slučajnosti, jednostavne teorije zračenja predviđaju da će za oba objekta zračiti generirano blizu horizonta događaja na radio frekvencijama od 230 Hz i više.
Većina nas dolazi preko tih frekvencija samo kad moramo proći kroz skener u modernoj zračnoj luci. Crne rupe neprestano plivaju u njima.
Ovo zračenje ima vrlo kratku valnu duljinu - redom milimetra - koju lako apsorbira voda. Da bi teleskop mogao promatrati kozmičke milimetrske valove, mora biti postavljen visoko na suhu planinu kako bi se izbjeglo apsorbiranje zračenja u Zemljinoj troposferi.
U osnovi, potreban nam je milimetarski teleskop koji negdje u Nizozemskoj može vidjeti predmet veličine senfa u New Yorku. Ovaj će teleskop biti tisuću puta oštriji od svemirskog teleskopa Hubble, a pri milimetarskim valnim duljinama veličina takvog teleskopa bit će Atlantski ocean ili veća.
Virtualni teleskop veličine Zemlje
Srećom, Zemlju ne trebamo pokriti jednim radio aparatom, jer možemo izgraditi virtualni teleskop s istom razlučivom, kombinirajući podatke teleskopa u različitim planinama oko Zemlje.
Ova se tehnika naziva sinteza blende i vrlo duga osnovna interferometrija (VLBI). Ideja je prilično stara i dokazana već nekoliko desetljeća, ali tek sada se postalo moguće primijeniti na visokim radio frekvencijama.
Prvi uspješni eksperimenti pokazali su da se strukture horizonta događaja mogu istražiti na takvim frekvencijama. Sada postoji sve što vam je potrebno da biste izveli takav eksperiment u velikoj mjeri.
Radovi su već u tijeku
Projekt BlackHoleCam europski je projekt za konačnu sliku, mjerenje i razumijevanje astrofizičkih crnih rupa. Europski projekt dio je globalne suradnje - konzorcija Event Horizon Telescope, koji uključuje više od 200 znanstvenika iz Europe, Amerike, Azije i Afrike. Zajedno žele napraviti prvu sliku crne rupe.
U travnju 2017. promatrali su galaktički centar i M87 s osam teleskopa na šest različitih planina u Španjolskoj, Arizoni, Havajima, Meksiku, Čileu i Južnom polu.
Svi su teleskopi bili opremljeni preciznim atomskim satovima kako bi precizno sinkronizirali svoje podatke. Znanstvenici su zabilježili nekoliko petabajta neobrađenih podataka, zahvaljujući tadašnje iznenađujuće dobrim vremenskim uvjetima širom svijeta.
Fotografija crne rupe
Ako znanstvenici uspiju vidjeti horizont događaja, znat će da problemi koji nastaju na spoju kvantne teorije i opće relativnosti nisu apstraktni, već vrlo stvarni. Možda se tada mogu riješiti.
To se može postići dobivanjem jasnijih slika sjenki crnih rupa ili praćenjem zvijezda i pulsara na putu oko crnih rupa, koristeći sve dostupne metode za proučavanje ovih objekata.
Možda će crne rupe u budućnosti postati naše egzotične laboratorije.
Ilya Khel