W cieniu czarnych dziur kryje się nie tylko potężna grawitacja. Najnowsze badania sugerują jednak, iż znajdować się tam może coś znacznie ważniejszego – sposób, by sprawdzić, czy Einstein na pewno miał rację.
Czarne dziury nie mają włosów – tak brzmi słynna teoria Jacoba Bekensteina, wybitnego fizyka, który zajmował się termodynamiką czarnych dziur i innymi aspektami powiązań między informacją a grawitacją.
Jak rozumieć ten brak włosów? Słynnemu fizykowi chodziło o to, iż jeżeli dwie czarne dziury mają taką samą masę, ten sam moment pędu (w tym przypadku ilość obrotów na sekundę) i ten sam ładunek elektryczny, to nie można ich rozróżnić. Takie czarne dziury są identyczne i nie ma żadnych fizycznych adekwatności (przysłowiowych włosów), które mogłyby pomóc rozróżnić takie obiekty.
Wszystkie inne informacje (dla których włos jest metaforą) o materii, która utworzyła czarną dziurę lub do niej wpada, znikają za horyzontem zdarzeń czarnej dziury i dlatego są trwale niedostępne dla zewnętrznych obserwatorów.
Nauka wciąż jednak robi postępy, a podważanie istniejących teorii i szukanie lepszych wyjaśnień dla istniejących zjawisk wpisane jest w DNA każdego naukowca. Tak jest także i w przypadku czarnych dziur.
Cień kosmicznego potwora
Czarne dziury są uważane za kosmiczne żarłoki, z których choćby światło nie może uciec. Dlatego też zdjęcia czarnych dziur w centrum galaktyki M87 i naszej Drogi Mlecznej, opublikowane kilka lat temu przez Event Horizon Telescope (EHT), wytyczyły nowe możliwości zbadania tych obiektów.
To, co widać na tych zdjęciach, to nie sama czarna dziura, ale raczej gorąca materia w jej bezpośrednim sąsiedztwie. Dopóki materia przez cały czas obraca się poza horyzontem zdarzeń, zanim zostanie nieuchronnie wciągnięta, może emitować sygnały świetlne, które możemy wykryć – wyjaśnia prof. Luciano Rezzolla, który wraz ze swoim zespołem z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie odegrał kluczową rolę w tych odkryciach.
Dokładnie rzecz biorąc zdjęcia przedstawiają cień czarnej dziury. To odkrycie otwiera teraz możliwość dokładnego zbadania teorii stojących za tymi ekstremalnymi obiektami kosmicznymi. Jak dotąd ogólna teoria względności Einsteina jest uważana za złoty standard w fizyce, jeżeli chodzi o opis przestrzeni i czasu.
Przewiduje ona istnienie czarnych dziur jako szczególnych rozwiązań, wraz ze wszystkimi konsekwencjami, w tym osobliwościami. Dotyczy to również horyzontu zdarzeń, za którym wszystko – w tym światło – znika.
Istnieją jednak również inne, wciąż hipotetyczne teorie, które również przewidują istnienie czarnych dziur. Niektóre z tych podejść wymagają obecności materii o bardzo specyficznych adekwatnościach, a choćby naruszenia praw fizyki, które w tej chwili znamy – mówi Rezzolla.
Fizyk z Frankfurtu, wraz z kolegami z Instytutu Tsung-Dao Lee w Szanghaju (Chiny), przedstawił w czasopiśmie Nature Astronomy nową możliwość sprawdzenia takich alternatywnych teorii. Do tej pory brakowało solidnych danych, które pozwoliłyby je obalić lub potwierdzić. Naukowcy planują jednak to zmienić, wykorzystując obrazy cieni supermasywnych czarnych dziur.
Einstein kontra reszta wszechświata
Wymaga to dwóch rzeczy. Z jednej strony, obrazów cieni czarnych dziur o wysokiej rozdzielczości, aby jak najdokładniej określić ich promień, a z drugiej strony, teoretycznego opisu tego, jak bardzo różne podejścia odbiegają od teorii względności Einsteina – wyjaśnia Rezzolla.
Naukowcy przedstawili teraz kompleksowy opis tego, jak różne typy hipotetycznych czarnych dziur odbiegają od teorii względności i jak znajduje to odzwierciedlenie w obrazach cieni. Aby to zbadać, zespół przeprowadził wysoce złożone, trójwymiarowe symulacje komputerowe, które odtwarzają zachowanie materii i pól magnetycznych w zakrzywionej czasoprzestrzeni otaczającej czarne dziury. Na podstawie tych symulacji naukowcy wygenerowali następnie syntetyczne obrazy świecącej plazmy.
Wygląd cienia czarnej dziury zgodny z teorią Einsteina (u góry) i cień w przypadku alternatywnej teorii (niżej).Główne pytanie brzmiało: Jak bardzo różnią się obrazy czarnych dziur w różnych teoriach? – wyjaśnia główny autor, Akhil Uniyal z Instytutu Tsung-Dao Lee.
Na tej podstawie udało im się wyprowadzić jasne kryteria, które dzięki przyszłym pomiarom o wysokiej rozdzielczości często pozwolą na podjęcie decyzji na korzyść konkretnej teorii. Chociaż różnice w obrazach są wciąż zbyt małe przy obecnej rozdzielczości EHT, systematycznie rosną wraz z jej wzrostem.
Aby rozwiązać ten problem, fizycy opracowali uniwersalną charakterystykę czarnych dziur, która integruje bardzo różne podejścia teoretyczne.
Cień mówi więcej
Jednym z najważniejszych wkładów współpracy EHT w astrofizykę jest przekształcenie czarnych dziur w obiekty, które można testować. Oczekujemy, iż teoria względności będzie się przez cały czas potwierdzać, tak jak wielokrotnie do tej pory – podkreśla Rezzolla.
Jak dotąd wyniki pokrywają się z teorią Einsteina. Jednak niepewność pomiaru jest wciąż tak wysoka, iż wykluczono jedynie kilka bardzo egzotycznych możliwości. Na przykład, dwie czarne dziury w centrum M87 i naszej Drogi Mlecznej raczej nie są tzw. nagimi osobliwościami (bez horyzontu zdarzeń) ani tunelami czasoprzestrzennymi – to tylko dwie z wielu innych możliwości teoretycznych, które wymagają weryfikacji.
Nawet ugruntowana teoria musi być stale testowana, zwłaszcza w przypadku ekstremalnych obiektów, takich jak czarne dziury – dodaje fizyk.
Einstein wciąż niepokonany. Na razie
Dotychczasowe dane z EHT w pełni zgadzają się z przewidywaniami teorii względności. Ale nie oznacza to, iż inne teorie są całkowicie wykluczone. Różnice są zbyt subtelne, a margines błędu zbyt duży, by mówić o ostatecznym werdykcie. Jedno jest jednak pewne: na razie żadne obserwacje nie podważają genialnych równań Einsteina.
Czy to się zmieni? jeżeli tak, będzie to jeden z największych przełomów w historii nauki. Bo jeżeli teoria względności okaże się niepełna, otworzy to drzwi do nowej fizyki, może choćby tej, która połączy grawitację z mechaniką kwantową.
