TRANSKRYPCJA VIDEO
Astronarium
Horyzont zdarzeń - Astronarium 153
Opis wygenerowany przez Skrybot
Dla tego filmu nie wygenerowano opisu.
Transkrypcja wygenerowana przez Skrybot
Granica, za której nic nie może się wydostać. Horyzont zdarzeń to umowna powierzchnia czarnych dziur. W jego pobliżu zachodzi wiele zdumiewających zjawisk, które stanowią wyzwanie dla współczesnej fizyki. W tym programie pokażemy badania i teorie dotyczące horyzontu zdarzeń. Zapraszamy na Astronarium! Czym właściwie jest horyzont zdarzeń? Aby to zrozumieć, trzeba sięgnąć do źródła naszej wiedzy o czarnych dziurach, czyli do ogólnej teorii względności. Rozwiązania Równań Einsteina mówią nam, że czarne dziury to zwarte obiekty o tak dużej grawitacji, że nic nie jest się w stanie jej wyrwać. Innymi słowy, można je opisać jako obszary w czasoprzestrzeni ograniczone pewną powierzchnią, spod której nie może się wydostać informacji o żadnym zdarzeniu. To właśnie dlatego te powierzchnie przyjęto nazywać horyzontem zdarzeń.
Tylko co to tak właściwie oznacza w praktyce? Horyzont zdarzeń nie jest żadną barierą, ani powierzchnią, na której można by stanąć czy wylądować. To po prostu odległość poniżej której czarna dziura i ukryta w jej sercu osobliwość niczego już nie wypuszcza na zewnątrz. Choć zatem horyzont zdarzeń nie jest fizyczną powierzchnią czarnej dziury, to właśnie w jego pobliżu zachodzą najbardziej fascynujące i często nie do końca wyjaśnione zjawiska związane z czarnymi dziurami. Spróbujmy zatem sięgnąć do horyzontu zdarzeń i przekonać się, jakie zagadki są z nim związane. Oto jak wygląda horyzont zdarzeń, a dokładnie jego najbliższe możliwe do zobaczenia otoczenie. Ten niezwykły obraz przedstawia supermasywną czarną dziurę, znajdującą się w samym sercu naszej galaktyki. Za jego powstanie odpowiada teleskop horyzontu zdarzeń.
To międzynarodowy projekt, który powstałby zgodnie z nazwą zajrzeć jak najbliżej umownej powierzchni czarnej dziury. W tym celu naukowcy połączyli radioteleskopy rozmieszczone w różnych miejscach na świecie, tworząc wirtualny przyrząd o wielkości całej planety. Najpierw udało im się dzięki temu uchwycić czarną dziurę w centrum galaktyki M87. Od początku głównym celem był jednak obiekt w sercu Drogi Mlecznej. Co udało się zobaczyć na zdjęciach z teleskopu horyzontu zdarzeń? Świetlisty pierścień to rozgrzana materia opadająca na czarną dziurę. Ciemna plama po środku to właśnie horyzont zdarzeń, a właściwie jego cień widoczny na tle świecącej materii tuż nad jego powierzchnią. Pod koniec 2022 roku naukowcy z teleskopu horyzontu zdarzeń ogłosili kolejne, zdumiewające odkrycie.
W pobliżu supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej zauważyli nieznaną strukturę – bombel gazu krążący tuż nad horyzontem zdarzeń. – Interpretujemy nasze dane jako bombel, to znaczy region o bardzo małej gęstości, pełen bardzo gorącego gazu. Można tu porównać np. do takich bombli, które powstają w gotującej się wodzie. Jest bombel pełen bardzo gorącej pary wodnej. Wyobrażamy sobie, że ten bombel krąży na orbicie, która jest nieco oddalona od horyzontu zdarzeń, natomiast obserwacje, których dokonuje teleskop horyzontu zdarzeń, to jest promieniowanie emitowane tak blisko, jak tylko można od horyzontu zdarzeń. Czyli ono może być naprawdę tuż ponad powierzchnią horyzontu zdarzeń. Może być bliżej, bo wtedy byśmy go nie zobaczyli, ale może być tuż ponad.
Dla kontekstu tego, jak te rozmiary porównujemy z Układem Słonecznym, nasza czarna dziura, z Egitarius, a z gwiazdką, zajmuje około 1 czwartej promienia orbity Merkurego, czyli jest bardzo dużym obiektem w porównaniu ze Słońcem np. a orbita hotspotu, czyli orbita tego bombla gazu, którą wykryliśmy, mniej więcej wygląda jak orbita Merkurego. Przy czym Merkury pokonuje swoją orbitę w ciągu około 3 miesięcy, a nasz hotspot, nasz bombel gorącego gazu zrobił kółko wokół Egitariusa w skali 70 minut, co oznacza, że musiał się poruszać po tej orbicie z niesamowitą prędkością około 30% prędkości światła. Skąd mogła się wziąć ta dziwna struktura tuż przy horyzoncie zdarzeń? Odpowiedź nie jest do końca jasna.
Naukowcy podejrzewają, że może to mieć związek ze sposobem, w jaki czarna dziura w centrum naszej galaktyki karmi się materią z okolicznych gwiazd. Niezależnie od tego, skąd wziął się zaobserwowany obiekt, niemal pewne jest natomiast, że nie przetrwa on długo. Całe centrum naszej galaktyki to jest cała mozaika różnych struktur na różnych skalach odległości, obserwowanych w różnych długościach fal i wzajemne relacje między tymi różnymi obiektami nie jest jasne. To jest powód, dla którego cały czas badamy intensywnie centrum galaktyki. Natomiast z punktu widzenia naszego bąbla orbitującego czarną dziurę w centrum galaktyki, najważniejszą strukturą jest pewnie dysk złożony z masywnych gwiazd, gwiazd, które emitują silne wiatry gwiazdowe.
Nasza robocza hipoteza jest taka, że większość tego, co konsumuje aktualnie czarna dziura w centrum galaktyki, to są właśnie wiatry gwiazdowe. Wydaje nam się, że jest bardzo prawdopodobne, że ta czarna dziura nie ma takiego dysku akrecyjnego w klasycznym sensie, to jest akrecja wiatrów gwiazdowych. Wydaje się, że być może ta plazma, która tworzyła bombelek orbitujący wokół Sagittarius, właśnie pochodzi z wiatrów gwiazdowych z tej struktury. Wyobrażamy sobie, i to jest zgodne z naszymi teoretycznymi modelami, że tego rodzaju bombel gorącego gazu nie jest trwałą strukturą. Powinien zniknąć po około jednej orbicie, być może dwóch orbitach.
Powinien zniknąć dlatego, że on porusza się w gazie, który rotuje z bardzo nierówną prędkością, to nie jest bryła sztywna, to znaczy, że wewnętrzna część tego bombla rotuje szybciej niż zewnętrzna część bombla i wobec tego jest rozciągany. Są też różne niestabilności w plazmie, które mogą go zniszczyć. To nam mówią modele teoretyczne i co ciekawe w naszych obserwacjach, widzimy jedną orbitę, która wygląda przekonywująco ładnie, wygląda tak jakby była niemal orbitą kołową i drugą orbitę, która jest już silnie zniszczona, właśnie wydaje się, że przez takie efekty związane z niestabilnościami plazmy albo z ruchem w medium, które nie zachowuje się jak bryła sztywna. Tego możemy się dowiedzieć dzięki temu odkryciu.
Jak mówi dr Maciej Wielgus, obserwacje gazowego bombla koło czarnej dziury mogą dostarczyć nowej wiedzy na temat praw rządzących przestrzenią w bezpośredniej okolicy horyzontu zdarzeń. Ten fakt, że widzimy pierścień otaczający czarną dziurę, jest związany z bardzo silnym zakrzywieniem promieni świetleń. Żeby to zobaczyć, musimy być naprawdę blisko i wydaje się, że podobne efekty powinniśmy być w stanie wyizolować, studiując zachowanie tego rodzaju bombli gorącego gazu orbitujących bardzo blisko horyzontu zdarzeń. Nasze obserwacje pozwalają nam lepiej zrozumieć relacje między rzeczywistością i naszymi prostymi modelami teoretycznymi, których próbujemy używać.
Wygląda na to, że jest to jeden z lepszych dowodów do tej pory, na to, że akrecja wokół czarnej dziury, taki jak Sagittarius, albo taki jak M87, jest czymś, co nazywamy systemem MED, Magnetically Arrested Disk, z angielskiego szalony, właśnie w związku z jej taką szaloną dynamiką. I ten stan wymaga silnego pola magnetycznego, które gra ważną rolę dla dynamiki gaz. To nie było jasne, czy te modele mogą działać poprawnie. Wydaje nam się, że nasz model właśnie pokazuje rolę pola magnetycznego. On pokazuje również, że materiał padająca na Sagittariusa najprawdopodobniej orbituje w płaszczyźnie, która jest pod niskim kątem inklinacji wobec obserwatora. To znaczy, że widzimy te orbity jakby z góry, nie z boku.
To jest nietypowe, być może niespodziewane, ze względu na to, że znajdujemy się w dysku galaktycznym. Spodziewalibyśmy się, że orbity blisko centrum galaktyki, być może powinniśmy widzieć z boku, jako obserwatorzy znajdujący się w galaktycznym dysku. Teleskop Horyzontu Zdarzeń pozwala zobaczyć materię znajdującą się tuż nad umowną powierzchnią czarnej dziury. Co stałoby się jednak, gdybyśmy byli w stanie sięgnąć dalej i przekroczyć horyzont zdarzeń? Z odpowiedzią na to pytanie wiąże się jedna z największych zagadek współczesnej astrofizyki. Jak mówi profesor Marek Abramowicz, zgodnie z założeniami ogólnej teorii względności, materia wpadająca do czarnej dziury przepada bezpowrotnie. Ta właściwość stała się źródłem tzw. paradoksu informacyjnego. – Obserwujący wpadanie czegoś do czarnej dziury nigdy nie zobaczą, jak to coś przekracza horyzont zdarzeń, bo to wymaga nieskończenia długiego czasu mierzonego zegarami tych zewnętrznych obserwatorów.
Natomiast ktoś, kto by wpadł do czarnej dziury, wpadł by do czarnej dziury, przekroczyłby horyzont zdarzeń, w skończonym czasie, mierzonym na swoim zegarku, wpadł by do osobliwości, która jest ukryta pod horyzontem zdarzeń i został by, i został by cokolwiek wpada całkowicie zniszczone, ale nie zmiażdzone, stłuczone, spalone, tylko zniszczone w takim ontologicznym sensie, tzn. pozbawione byty. Byty obiektów kończą się w osobliwości. I tak mówi ogólna teoria względności Alberta Einstein. Co się dzieje z informacją o własnościach obiektów wpadających do czarnej dziury? Trudno sobie wyobrazić, że ta informacja całkowicie znikam. I dlatego już na tym klasycznym poziomie wielu fizyków zastanawiało się, jak to może być, żeby tę informację jakoś przechować, zachować na horyzoncie. Zgodnie z podstawowymi prawami fizyki kwantowej informacja nigdy nie może całkowicie zniknąć.
Co zatem dzieje się z nią po przekroczeniu horyzontu zdarzeń? Początkowo czarne dziury uważano za obiektywieczne. Informacja mogłaby w nich być zatem zachowana w jakiejś postaci aż po wsze czasy. Sytuacja skomplikowała się za sprawą pracy Stephena Hawkinga. Ten brytyjski astrofizyk wysunął hipotezę o istnieniu wyjątkowego promieniowania, które mogłoby prowadzić do odparowania czarnych dziur. – Można spytać, czy to w ogóle ma sens mówić o promieniowaniu czarnych dziur, że przecież z czarnej dziury się nic nie wydostanie? Otóż promieniowanie Hawkinga nie wydostaje się z wnętrza czarnych dziur. To działa inaczej. Próżnia nie jest tak naprawdę pusta. W próżni tworzą się, zgodnie z mechaniką kwantową, wirtualne pary cząstek, to znaczy takie pary cząstka i antycząstka.
Tworzy się taka wirtualna para i po bardzo krótkim czasie cząstka i antycząstka się łączą i jakby nic się nie dzieje. Bilans ten ebietycznie zachowuje. Ale blisko czarnej dziury antycząstka może wpaść pod horyzont zdarzeń. I nad horyzontem zostanie tylko cząstka. Kwant o dodatniej energii, który właśnie jest kwantem promieniowania Hawkinga. Tak działa promieniowanie Hawkinga. To znaczy, wbrew takiej fałszywej intuicji, że coś się z czarnej dziury wydobywa, jest dokładnie przeciwne. Nie coś się wydobywa z czarnej dziury, tylko cząstka o ujemnej energii do czarnej dziury wpada. I oczywiście jak taka cząstka ujemnej energii do czarnej dziury wpadnie, to masja czarnej dziury się zmiksza. Po odpowiednio długim czasie promieniowanie Hawkinga mogłoby sprawić, że czarna dziura odparuje całą swoją masę i po prostu zniknie.
Skoro tak, co stałoby się z informacją o pochłoniętej przez nią materii? Jak mówi prof. Abramowicz, w zrozumieniu istoty tego paradoksu można się posłużyć pewnym eksperymentem myślowym, znanym jako paradoks kota Hawkinga. Bardzo daleko od czarnej dziury doktor Hawking, który nie ma nic wspólnego ze Stevenem Hawkingiem, to jest całkowicie wymyślona postać. Wrzuca kota do czarnej dziury i obserwuje, jak ten biedny kot do tej czarnej dziury wpada, z bardzo silnym swoim teleskopem. I to, co dr Hawking widzi, to jest oczywiście kot i czarna dziura. Kot nigdy nie przekroczy horyzontu zdarzeń, tak jak to dr Hawking widzi. Będzie zawsze na zewnątrz czarnej dziury. Ale Steven Hawking twierdzi, że czarne dziury parują. Wypromieniowują promieniowanie Hawkinga, ich masa się zmniejsza.
Wobec tego, po pewnym czasie, zapewne bardzo długim, ale skończonym, to jest najważniejszy element tego paradoksu, po skończonym czasie czarna dziura całkowicie zniknie. I wobec tego dr Hawking będzie widział kota, który nie wpadł do czarnej dziury, bo zgodnie z ogólną tereną względności Einstein'a jest niemożliwe, żeby zobaczyć kota przekraczającego horyzm. I będzie mógł wysłać do tego kota SMS-a, mówiąc, przebacz mi, wracaj. Na co kod, gdyby mógł odpowiedzieć, odpowiedziałby tak. Nie mogę wrócić, dlatego że po skończonym czasie, mierzonym na moim zegarku, wpadłem do czarnej dziury, a zaraz potem do osobiwości, która mnie wytrąciła z bytu. Mnie w ogóle nie ma, ja nie istnieję. I to jest paradoks, jak pogodzić te dwa punkty widzenia. Paradox informacyjny czarnych dziur pozostaje jednym z największych wyzwań współczesnej fizyki.
Jego istotą jest niezgodność między dwiema fundamentalnymi teoriami, opisującymi naszą rzeczywistość, ogólną teorią względności i mechaniką kwantową. Jak mówi prof. Jean-Pierre Lasota, aby go rozwiązać, potrzebna byłaby nowa koncepcja łącząca ich prawa. Zgodnie z mechaniką kwantową informacja nie ma prawa w zniku tej czarnej dziury, w drugiej stronie znika. Wydaje się, że jest sprzeczność między ogólną teorią względności Einsteina, które świetnie potwierdzono. Jeszcze ostatnio były wspaniałe potwierdzenia słuszności teorii Einsteina do opisu grawitacji. Oraz mechanika kwantową to jest znakomicie potwierdzoną teorią, najlepiej w ogóle potwierdzoną teorią z wszystkich teorii fizycznych. Między tymi dwiema dziedzinami fizyki wydaje się, że jest sprzeczność. Są różne pomysły, jak tę sprzeczność rozwiązać. Ja myślę, że ta sprzeczność będzie rozwiązana, jeśli będzie rozwiązana, z chwilą, kiedy powstanie kwantowa teoria grawitacji.
Takiej teorii nie ma. Jeżeli taka teoria istnieje, to wcale nie ma gwarancji, że ona istnieje, to wtedy ta teoria kwantowej grawitacji powinna rozwiązać problem w zaniku informacji w czarnej dziurze. To jeden z podstawowych problemów współczesnej fizyki. Odpowiedź na pytanie, czy czarna dziura niszczy informacje, zawiera może jakąś odpowiedź na dużo bardziej podstawowe pytanie i w ogóle prowadzi może do nowej teorii fizycznej, która powstanie może w przyszłym roku, a może za 200 lat. – Wszystkie czarne dziury znikną. – Promieniowanie Hawkinga pozostaje jedynie hipotezą. Mimo licznych prób nie udało się dotąd obserwacyjnie potwierdzić jego istnienia. Ale jeśli nad horyzontem zdarzeń faktycznie zachodzi zjawisko opisane przez brytyjskiego astrofizyka, mogłoby to oznaczać, że któregoś dnia wszystkie czarne dziury znikną.
To może mieć konsekwencje dla naszej wiedzy na temat całego Wszechświata. – My nie wiemy, czy czarne dziury naprawdę promienią. Ale załóżmy, że naprawdę promienią. Czas wypromieniowania czarnej dziury, która jest bardziej masywna niż słońce, jest po prostu tak olbrzymi w porównaniu z wiekiem Wszechświata, że można powiedzieć, że to jest wieczne. Na razie jeżeli to jest 10 do 80. potęgi lat, to możemy uważać, że to jest wieczne. Ale załóżmy, że one promienią i że mamy powód, żeby czekać 10 do 80. lat. Na przykład tak by chciał Roger Penrose, wybitny bardzo fizyko-matematyczny, Laureat Nagrody-Nobla, to wtedy modelu Wszechświata, który on propaguje, Wszechświat jest cykliczny. Rozszerza się, a potem się kurczy.
Te skale czasowe, czas, który do się odbywa, są dłuższe od 10 do 80. I w tej hipotezie Penroza, nawet te olbrzymie, supermasywne czarne dziury się znikły, wyparowały i nawet Penro stwierdzi, że widzimy teraz na niebie, na tym promieniowaniu tła, które jest obserwowane, ślady tego rozpadu supermasywnych czarnych dziur. Nikt poza nim i kilkoma jego współpracownikami w to nie wierzy. Nie wierzę, że widać te ślady. I to największe fachowcy od tego, którzy pracują w tym instytucie, którzy analizowali te dane, nie widzą tego. Ale tutaj odpowiedź byłaby, że jeżeli weźmiemy, ustawimy się w hipotezie raz promieniowania czarnych dziur, dwa Wszechświata cyklicznego, to one nie są wieczne, ale też wtedy wieczność Wszechświata też staje się problematyczna.
Który Wszechświat, czy ten, którym jesteśmy, czy ten poprzedni, czy te cykle, to jest, oczywiście one pewnie są wieczne. Ale jak zawsze, z pojęciem wieczności w fizyce i w ogóle w nauce są kłopoty. Od testów ogólnej teorii względności, przez paradoksy będące wyzwaniem dla całej współczesnej fizyki, aż po nowe koncepcje dotyczące ewolucji Wszechświata. Niezwykła natura horyzontu zdarzeń czarnych dziur dostarcza wielu fascynujących zagadek. Jestem przekonany, że w ich rozwiązaniu pomogą kolejne badania tych tajemniczych obiektów, takie jak prace teleskopu horyzontu zdarzeń. Na pewno opowiemy o nich w Astronarium. Na dziś to jednak wszystko. Dziękuję bardzo serdecznie za uwagę i do zobaczenia. .
S K R Y B O T
Skrybot. 2023, Transkrypcje video z YouTube
Informujemy, że odwiedzając lub korzystając z naszego serwisu, wyrażasz zgodę aby nasz serwis lub serwisy naszych partnerów używały plików cookies do przechowywania informacji w celu dostarczenie lepszych, szybszych i bezpieczniejszych usług oraz w celach marketingowych.