Czarne dziury naprawdę istnieją

W roku 1796 francuski matematyk Pierre Simon de Laplace opublikował książkę pt. „Exposition du Systeme du Monde”, w której przekonywał, że w kosmosie muszą istnieć przerażające obiekty o niewielkiej objętości, ale o olbrzymiej masie.

W 1916 roku niemiecki fizyk Karl Schwarzschild wyliczył na podstawie równania pola ogólnej teorii względności Einsteina (ogłoszonej rok wcześniej) istnienie tzw. osobliwości. Wielu współczesnych mu fizyków oburzało się, że to jakaś intelektualna fanaberia, ponieważ w osobliwości przestają działać teoretyczne prawa fizyki ze względu na nieskończone wyniki. Nie mogli uwierzyć, że mogą istnieć obiekty grawitacyjne o tak wielkiej masie i gęstości, że nawet światło nie jest w stanie z nich uciec.

Jednak w 1931 roku indyjski astrofizyk Subrahmanyan Chandrasekhar wsparł teorię Schwarzschilda, wyliczając maksymalną masę białego karła (granica Chandrasekhara), po zwiększeniu której następuje nieunikniona zapaść gwiazdy w czarną dziurę. Sama nazwa „czarna dziura” – stworzona dla zobrazowania tego, że takie obiekty nie odbijają niczego, niczym ciało doskonale czarne – została wymyślona dopiero pod koniec lat 60. XX wieku przez amerykańskiego fizyka, prof. Johna A. Wheelera. Wcześniej nazywano je „czarnymi gwiazdami”.

Kłopot z nieskończonością

Osobliwość (ang. singularity) została opisana i zdefiniowana dopiero 53 lata po publikacji Karla Schwarzschilda, kiedy w 1969 roku dwóch mało wówczas znanych angielskich fizyków, Steven Hawking i Roger Penrose, ogłosiło hipotezę zakładającą, że w czasoprzestrzeni może pojawić się punkt, którego krzywizna jest nieskończona i z której może powstać nawet cały wszechświat.

Rok później Hawking i Penrose opublikowali przełomową pracę naukową pt. „Osobliwości w kolapsie grawitacyjnym i kosmologii”. Opisywała ona obszar, w którym materia jest ściśnięta do najmniejszej możliwej przestrzeni. Innymi słowy naukowcy dowodzili, że taki obiekt posiada masę, ale nie ma rozmiaru, jednocześnie mając nieskończoną gęstość.

I to owa „nieskończoność” przez ostatnie 50 lat budziła wielki niepokój naukowców, w tym także samego Hawkinga, który posiłkując się mechaniką kwantową pod koniec życia zaczął rewidować swój pogląd. We wznowionym wydaniu „Krótkiej historii czasu” napisał nawet zdanie, które wywołało dyskusję w świecie fizyków teoretycznych: „(...) w rzeczywistości nie było żadnej osobliwości w chwili powstawania wszechświata”.

Dlaczego Hawking pod koniec życia zaczął rewidować niektóre swoje poglądy? Ponieważ słowo „nieskończoność” wywołuje dyskomfort intelektualny u niemal każdego naukowca. Przecież nieskończoności nie obserwujemy w życiu codziennym i w otaczającym nas świecie przyrody. Gdyby była zjawiskiem powszechnie występującym w naturze, naruszałaby prawo powszechnego ciążenia Newtona.

Potwierdzenie po 100 latach

Wszelkie spekulacje teoretyczne dotyczące istnienia czarnych dziur zakończyły się jednak ostatecznie 10 kwietnia 2019 roku. Warto tę datę zapamiętać, bo to krok milowy w historii nauki. Trudno nie zgodzić się z opinią France Córdovy, dyrektorki amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki, która przypomniała, że „studiowaliśmy czarne dziury tak długo, że czasami łatwo zapominaliśmy, że nikt z nas tak naprawdę ich nie widział”.

Wykonane przez program naukowy Event Horizon Telescope zdjęcie odległej o 87,55 mln lat świetlnych od Ziemi czarnej dziury znajdującej się w centrum galaktyki Messier jest materialnym dowodem istnienia tego typu obiektów we wszechświecie. To zdjęcie jest także ukłonem współczesnej nauki dla jej wielkich prekursorów, takich jak Karl Schwarzschild, który ponad 100 lat temu, bez użycia skomplikowanych maszyn liczących, dowiódł matematycznie istnienia czegoś tak niewyobrażalnego jak czarna dziura.

Sfotografowana zapaść grawitacyjna o masie 6,5 mld razy większej od masy Słońca należy do supermasywnych czarnych dziur. Dotychczas astronomowie wykryli ponad 100 takich obiektów. Niektóre z nich powstały, kiedy wszechświat miał mniej niż miliard lat. Sfotografowana czarna dziura jest aż 1000 razy masywniejsza od „naszej” czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej.

Mimo tak olbrzymich rozmiarów obserwacja tego typu obiektu była do niedawna niemożliwa technicznie. Jednak metoda fotografowania programu EHT pozwala na zastosowanie rozdzielczości kątowej, czyli rozróżniania kątowej separacji punktów oglądanego obiektu.