Rozmowa z geofizykiem prof. Adamem Gawinem
Autor wywiadu: Ela Gawin 

CZARNE DZIURY...
DLACZEGO CZARNE DZIURY WZBUDZAJĄ TAKIE ZAINTERESOWANIE?

      Co to jest czarna dziura?
      Czy można podać jakąś prostą definicję zrozumiałą przez czytelnika nie znającego zupełnie problematyki?

Przy wybuchu masywnej Supernowej (czyli gwiazdy która eksploduje) pozostałość zapada się i może wtedy powstać gwiazda neutronowa lub czarna dziura. Warunkiem by ona powstała jest duża masa gwiazdy (ok. pięć razy większa od masy Słońca), która świecąc „spala kolejne pierwiastki” do żelaza włącznie. Z pozostałości (o masie trzykrotnie większej od masy Słońca) – w następstwie grawitacyjnego zapadania się -  powstaje czarna dziura.


Zauważmy jeszcze, że warunkiem by wystrzelona z Ziemi rakieta  nie powróciła z powrotem jest nadanie jej  odpowiednio dużej prędkości początkowej (ok. 11 km/sek), tzw. „prędkości ucieczki”. Im większa jest siła ciężkości tym większa musi być prędkość ucieczki.  Czarna dziura jest takim obiektem grawitacyjnym z którego nawet światło (300 000 km/sek) „nie może uciec”.

      Dlaczego więc jest tak wielkie nimi zainteresowanie?
Czarna dziura jest tzw. osobliwością w czasoprzestrzeni. Teoretycznie możliwe jest spowolnienie czasu do zera w jej pobliżu i możliwa jest realizacja „podróży w czasie i przestrzeni”.

     Czy można to jakoś prosto wyjaśnić?
Zacznijmy może od spowolnienia w czasie. Absolwent szkoły średniej wie, że im szybciej porusza się rakieta tym wolniej płynie w niej czas. Gdyby rakieta mogła osiągnąć prędkość światła to czas w niej przestałby by płynąć. Podobna relacja ma miejsce w przypadku grawitacji. W rakiecie zbliżającej się do ciała o dużej grawitacji coraz wolniej będzie płynął czas. Gdybyśmy mogli odpowiednio dokładnie mierzyć czas to przekonalibyśmy się, że w piwnicy płynie on wolniej niż na 11 piętrze. Im większa grawitacja (większe ciążenie) tym większe spowolnienie czasu. Jest to już możliwe do zmierzenia w warunkach ziemskich wykorzystując odpowiednio wysokie wieże – anteny. Z rozwiązania dla najprostszego, statycznego modelu czarnej dziury, tzn. takiej która nie obraca się, wynika że istnieje taki promień   (tzw. promień grawitacyjny) sfery, większy od  promienia sferycznej czarnej dziury, że czas  ulega na  tej sferze spowolnieniu do zera. Gdyby udało się rakiecie „zaparkować na tej sferze”, tzn. gdyby mogła się poruszać po torze o promieniu grawitacyjnym,  to czas w niej przestałby płynąć. Moglibyśmy wrócić na Ziemię w jej dalekiej przyszłości. Możliwe jest też w teorii cofnięcie się w czasie oraz przedostanie się do świata równoległego (model rotującej czarnej dziury) albo też do bardzo odległego miejsca w naszym świecie.   „Istnienie osobliwych dziur w przestrzeni stwarza możliwość podróżowania w czasie. ... Wystarczy zatoczyć w niej kółko, wrócić na miejsce skąd wyszliśmy i ... spotkać naszego dziadka chodzącego właśnie do szkoły”. Jest to możliwość tak przerażająca (możemy przecież niechcący uśmiercić naszego dziadka ... i co wtedy z nami?! ), że fizycy zdecydowali się wprowadzić do nauki instytucję  tzw. kosmicznego cenzora”. ... Posługiwanie się cenzorem nie jest oczywiście, procedurą naukową. W przyszłości, albo jego istnienie zostanie wyprowadzone z nieznanych jeszcze praw Przyrody, albo... niech każdy fantazjuje sobie sam”. Pozwoliłem sobie w tym miejscu przytoczyć humorystyczne zakończenie jednostronicowego spojrzenia na tę problematykę pt. „Fantazja czy rzeczywistość” (autor: Michał Świecki), które przeczytałem wiele lat temu. Obecnie nie jest to dokładnie tak, ale oddaje znakomicie ducha tamtych czasów.        

          Słyszałam, że czarne dziury mają nieprawdopodobny apetyt, są w stanie „pożreć wszystko”. Czy to obiegowe określenie jest prawdziwe? 
Destruktywny charakter czarnych dziur jest powszechnie znany. Istotnie jeżeli w zasięgu grawitacyjnym czarnej dziury znajdzie się jakaś gwiazda, nawet bardzo masywna, to zostanie wchłonięta przez tą czarną dziurę. Jednak ostatnio, w następstwie wysokiej rozdzielczości teleskopu Hubble’a, radioteleskopu VLBA (Very Long Baseline Array) i obserwatorium satelitarnego Chandra, zaczyna się obserwować nowe, twórcze możliwości czarnych dziur. Okazuje się, że gwiazdy i obłoki międzygwiazdowego gazu poruszają się w pobliżu centrów wielu galaktyk niezwykle szybko, pobudzane grawitacją ogromnego, niewidocznego ciała – najprawdopodobniej czarnej dziury, chociaż nie wyklucza się powodów bardziej prozaicznych, takich jak gęste gromady gwiazd.           

         Czy czarne dziury w ogóle istnieją?
 
Istnieją. Zagadnienie zostało wśród astronomów ugruntowane znakomitą monografią „The mathematical theory of Black Holes” S. Chandrasekhara (1983), laureata nagrody Nobla, najbardziej „upartego i cierpliwego człowieka”, zajmującego się „prawie samotnie” od lat 30-tych minionego stulecia teorią czarnych dziur. Do szerokiej popularyzacji niewątpliwie przyczynił się m. in. artykuł Bary Parkera „In and around Black Hole w ogólnie dostępnym w świecie miesięczniku „Astronomy” (October 1986). Świetne „zdjęcia”  gigantycznej, eliptycznej galaktyki M-87 i jej nieprawdopodobnego dżetu, zapewne przekonały najbardziej opornych, że czarne dziury naprawdę istnieją. Do końca minionego stulecia poznano już (por. listopad, grudzień 2000, Scientific American, Świat Nauki) i opisano co najmniej 34 supermasywne czarne dziury związane z kwazarami, kwazaropodobnymi galaktykami i „zwykłymi” galaktykami. Już dawno przypuszczano, że w centrum naszej galaktyki znajdują się dwie czarne dziury. Najnowsze obserwacje potwierdziły, że jest ich więcej.  W centrum bliskiej galaktyki w Andromedzie, zidentyfikowano dwie bardzo duże czarne dziury. 

       Czy z tego nie wynika, że również większe galaktyki wchłaniają inne?
Wszystko na to wskazuje. Nasza galaktyka - Droga Mleczna wchłonie pobliskie „obłoki” - Mały i Wielki Obłok Magellana. Natomiast sama Droga Mleczna zostanie wchłonięta przez szybko zbliżającą się, znacznie większą galaktykę w Andromedzie, co nastąpi za jakiś 10 miliardów lat. 

       Z tego wynika, że Ziemia i nasz Układ Słoneczny przestaną istnieć?
Jeżeli chodzi o Ziemię to nie mamy się co martwić na zapas, ponieważ w czasie znacznie krótszym zostanie wchłonięta przez powiększające się Słońce, które w końcowej fazie będzie czerwonym olbrzymem. Natomiast Układ Słoneczny znajdujący się na peryferiach Drogi Mlecznej może funkcjonować dalej w obrębie jakiegoś innego układu lub nawet samodzielnie w poszerzonej galaktyce.      

       Z powyższych wypowiedzi wynikało by, że czarne dziury nie są wcale tak rzadko spotykanymi obiektami jak przypuszczano. Czy udało się bliżej to    wyjaśnić?
Dotychczasowe badania pozwoliły zauważyć dwie tendencje. Po pierwsze – supermasywne czarne dziury występują nie tylko w kwazarach i kwazaropodobnych galaktykach, lecz również w mniej okazałych galaktykach. Jedynym warunkiem koniecznym wydaje się być elipsoidalny kształt całej galaktyki, bądź  zgrubienia centralnego w płaskiej galaktyce. W galaktykach zupełnie płaskich nie ma czarnych dziur. Po drugie -  masa każdej czarnej dziury jest w przybliżeniu proporcjonalna do masy elipsoidalnej galaktyki (co oszacowano na podstawie ich jasności) i wynosi w przybliżeniu 0,15 % masy całej galaktyki eliptycznej, czy też zgrubienia centralnego. Ostatnio odkryto trzecią prawidłowość: Okazuje się, że masa każdej czarnej dziury zależy od średniej prędkości gwiazd eliptycznej galaktyki i to nawet w rejonach poza bezpośrednim wpływem czarnej dziury. Zależność ta jest wręcz doskonała i została uznana niemal za nowe prawo. 

       Czy stąd nie wynika, że najpierw pojawiła się czarna dziura?
W istocie nasuwa się takie pytanie czy najpierw pojawiła się czarna dziura i to zdeterminowało masę elipsoidy, czy też może stało się to jakoś inaczej. Okazuje się, że prędkość gwiazd nie zależy tylko od masy galaktycznej elipsoidy, lecz także od jej rozmiarów: im mniejsza elipsoida tym szybciej poruszają się jej gwiazdy. Świadczy to o tym, że związek z prędkością jest o wiele bardziej wyrazisty niż z jasnością. Aby galaktyka miała superciężką czarną dziurę, musi – oprócz dużej masy, być również niezwykle mała i gęsta. Masa czarnej dziury jest więc determinowana tym wszystkim co wyznacza rozmiary zgrubienia galaktyki, które ustalają się podczas jej powstawania. Wszystko zdaje się wskazywać na to, że ani czarna dziura ani też zgrubienie nie powstają jako pierwsze. Tworzą się równocześnie, ograniczane ilością dostępnej materii i oddziaływaniem grawitacyjnym ciemnej materii, która ostatecznie decyduje o tym co się dzieje w Wszechświecie. 

          Jaki jest więc początek czarnej dziury?
W dalszym ciągu nie wiadomo jaki jest jej początek oraz w jaki sposób nabrała tak dużej masy  i w jaki sposób materia została ukierunkowana na czarną dziurę i wreszcie dlaczego czarna dziura „przestała pożerać”.        

       Jakie są prowadzone aktualnie badania i jaki jest program dalszych prac?
Aktualnie Kosmiczny Teleskop Hublle’a sprawdza korelację pomiędzy czarnymi dziurami a zgrubieniami dla najbardziej masywnych oraz najlżejszych galaktyk, co jest jeszcze najmniej dopracowanym fragmentem badań. Satelita rentgenowski Chandra (nazwany tak na cześć Subrahmanyana Chandrasekhara) bada czarne dziury w dalekich i bliskich galaktykach, natomiast przy pomocy instrumentów naziemnych kontynuuje się tego typu pomiary w Drodze Mlecznej. W tym dziesięcioleciu nowe satelity: Space Infrared Telscope Facility (Kosmiczne Podczerwone Urządzenie Teleskopowe) oraz Next Generation Space Telescope (Teleskop Kosmiczny Następnej Generacji) – poddadzą drobiazgowej analizie najwcześniejsze galaktyki.

     Czy czytelnikowi nie zorientowanemu w problematyce czarnych dziur można zalecić coś prostego, bez wzorów których nie zrozumie, do przeczytania?
Polecam książkę Kipa S. Thorna  pt. Czarne dziury i krzywizny czasu wydanej ostatnio w języku polskim (Prószyński i S-ka).  Nie ma w niej wzorów. Jest napisana bardzo przystępnie i przez znakomitego fizyka, współautora najsłynniejszej  monografii z zakresu grawitacji (1973). Jej pierwsze wydanie ukazało się w 1994 roku, a więc nie tak dawno. 

       Słyszałam, że czarną dziurę można by wykorzystać jako źródło energii... Co to znaczy?
Tak, to prawda. Zjawisko akrecji czyli opadania materii na czarną dziurę jest najbardziej wydajnym energetycznie procesem jakie znamy. Nawet 40 % materii może ulec zamianie w czystą energię podczas gdy przy wybuchu bomby atomowej tylko parę procent tzw masy czynnej zamienia się w energię... 
       Wyobraźmy sobie, że moglibyśmy „oswoić” czarną dziurę, czyli ją kontrolować. Czy wtedy moglibyśmy wykorzystywać ja jako źródło energii? Czy to może być  jakaś szansa dla ludzkości?

Tak – czarna dziura może teoretycznie pomóc w rozwiązaniu problemu braku energii. Ale korzystać z tego umiałaby tylko daleko bardziej rozwinięta cywilizacja niż nasza. 

      Acha... Czyli reasumując... czarna dziura może rozwiązać problem energii oraz może pozwolić nam przeprowadzać eksperymenty z czasem – o czym mówiliśmy n a początku. Nie jest wykluczone, że kryje w sobie jeszcze wiele innych tajemnic i możliwości...

____________________________________________________________________________________________________________________________

  

  ADAM GAWIN & ELŻBIETA GAWIN

ZAPOWIEDŹ KOLEJNYCH TEKSTÓW - WYWIADÓW

* Jakie inne zjawiska w kosmosie,  warte uwagi, mogą przynieść zaskakujące sytuacje albo rozwiązania dla naszej cywilizacji?

* Jakie kataklizmy grożą Ziemi? Zmiana klimatu, zderzenia z  ciałami niebieskimi, nadmiar śmieci, pochłonięcie przez słońce...

* Co grozi Ziemi ze strony kosmosu w najbliższej przyszłości?

  - PROBLEM UDERZANIA W ZIEMIĘ CIAŁ NIEBIESKICH: meteoryty które spadły na Ziemię, kolizyjne orbity niektórych asteroid zbliżających się do Ziemi i inne.
- PROBLEM ZE SŁOŃCEM:
Za jakieś 5 miliardów lat Słońce stanie się czerwonym olbrzymem i pochłonie Ziemię.
- INNE

* Odtworzenie przeszłości i przewidywanie przyszłości Układu Słonecznego

* Czy możliwy jest powrót sytuacji „Arki Noego”?

* Jak wyglądały procesy myślowe człowieka pierwotnego. Poziom wiedzy w starożytności, średniowieczu i obecnie. 

* UFO – to fantazja czy rzeczywistość?

* Wiecej o podróżach  w czasie.

* Teoria kataklizmów i zaginione cywilizacje