Črne luknje so morda najbolj skrivnostni predmeti v vesolju. Če se seveda stvari ne skrivajo nekje v globinah, katerih obstoj ne poznamo in ne moremo vedeti, kar pa je malo verjetno. Črne luknje so ogromne mase in gostote, stisnjene v eno točko majhnega polmera. Fizične lastnosti teh predmetov so tako čudne, da zmedejo najbolj izpopolnjene fizike in astrofizike. Sabine Hossfender, teoretična fizika, je sestavila izbor desetih dejstev o črnih luknjah, ki bi jih morali vsi poznati.
Kaj je črna luknja?
Značilnost črne luknje je njeno obzorje. To je meja, čez katero se ne more vrniti nič, niti svetloba. Če se ločeno območje za vedno loči, govorimo o "obzorju dogodkov". Če je le začasno ločen, govorimo o "vidnem obzorju". Toda to "začasno" bi lahko pomenilo tudi, da bo regija ločena veliko dlje kot sedanja doba vesolja. Če je obzorje črne luknje začasno, a dolgotrajno, je razlika med prvim in drugim zamegljena.
Kako velike so črne luknje?
Obzorje črne luknje si lahko predstavljate kot kroglo, njen premer pa bo neposredno sorazmeren masi črne luknje. Torej, več mase pade v črno luknjo, večja postane črna luknja. V primerjavi z zvezdnimi predmeti pa so črne luknje majhne, ker se masa pod vplivom neustavljivega gravitacijskega tlaka stisne v zelo majhne količine. Polmer črne luknje z maso planeta Zemlja je na primer le nekaj milimetrov. To je 10.000.000.000 krat manj od sedanjega polmera Zemlje.
Promocijski video:
Polmer črne luknje imenujemo polmer Schwarzschilda po Karlu Schwarzschildu, ki je najprej izpeljal črne luknje kot rešitev Einsteinove splošne teorije relativnosti.
Kaj se dogaja na obzorju?
Ko prestopite obzorje, se okoli vas ne zgodi nič posebnega. Vse zaradi Einsteinovega načela enakovrednosti, iz katerega izhaja, da ne morete najti razlike med pospeškom v ravnem prostoru in gravitacijskim poljem, ki ustvarja ukrivljenost vesolja. Vendar pa bo opazovalec daleč od črne luknje, ki gleda, kako nekdo drug pade vanjo, opazil, da se bo človek počasi premikal počasi, ko se bo bližal obzorju. Kot da se čas bliža obzorju dogodkov počasneje kot stran od obzorja. Vendar bo minilo nekaj časa in opazovalec, ki pade v luknjo, bo prešel obzorje dogodkov in se znašel znotraj Schwarzschildovega polmera.
Kaj boste doživeli na obzorju, je odvisno od plimovanja gravitacijskega polja. Plimske sile na obzorju so obratno sorazmerne kvadratu mase črne luknje. To pomeni, da večja in bolj masivna kot je črna luknja, manjša je sila. In če je le črna luknja dovolj masivna, lahko prestopite obzorje, še preden opazite, da se nekaj dogaja. Učinek teh plimskih sil vas bo raztegnil: tehnični izraz, ki ga fiziki uporabljajo za to, je špagetifikacija.
V prvih dneh splošne relativnosti so verjeli, da je na obzorju singularnost, vendar se je izkazalo, da ni tako.
Kaj je znotraj črne luknje?
Nihče ne ve zagotovo, vsekakor pa ne knjižna polica. Splošna relativnost napoveduje, da v črni luknji obstaja singularnost, kraj, kjer plimske sile postanejo neskončno velike in ko enkrat preidete obzorje dogodkov, ne morete iti nikamor drugam, temveč v singularnost. V skladu s tem je bolje, da v teh krajih ne uporabljamo splošne relativnosti - preprosto ne deluje. Za ugotovitev, kaj se dogaja znotraj črne luknje, potrebujemo teorijo kvantne gravitacije. Splošno sprejeto je, da bo ta teorija singularnost nadomestila z nečim drugim.
Kako nastanejo črne luknje?
Trenutno poznamo štiri različne načine, kako nastajajo črne luknje. Najbolje razumljeno je povezano z zvezdnim kolapsom. Dovolj velika zvezda tvori črno luknjo, potem ko se jedrska fuzija ustavi, ker je bilo sintetizirano vse, kar bi bilo že mogoče sintetizirati. Ko tlak, ki ga ustvari fuzija, preneha, začne snov padati proti lastnemu gravitacijskemu središču in postaja vse bolj gosta. Na koncu postane tako gosta, da nič ne more premagati gravitacijskega učinka na površini zvezde: tako se rodi črna luknja. Te črne luknje se imenujejo "črne luknje sončne mase" in so najpogostejše.
Naslednja pogosta vrsta črne luknje so "supermasivne črne luknje", ki jih najdemo v središčih številnih galaksij in imajo mase približno milijardo krat večje od sončnih črnih lukenj. Zaenkrat še ni natančno znano, kako nastanejo. Verjame se, da so se nekoč začele kot črne luknje sončne mase, ki so v gosto naseljenih galaktičnih središčih porabljale številne druge zvezde in rasle. Vendar se zdi, da absorbirajo snov hitreje, kot kaže ta preprosta ideja, in kako natančno to počnejo, je še vedno stvar raziskav.
Bolj kontroverzna ideja so bile prvotne črne luknje, ki bi jih lahko v zgodnjem vesolju oblikovala skoraj vsaka masa v velikih nihanjih gostote. Čeprav je mogoče, je težko najti model, ki bi jih ustvaril, ne da bi jih preveč ustvaril.
Končno obstaja zelo špekulativna ideja, da bi pri Velikem hadronskem trkalniku lahko nastale majhne črne luknje z masami, ki so blizu masi Higgsovega bozona. To deluje le, če ima naše vesolje dodatne dimenzije. Do zdaj še ni bilo nobene potrditve te teorije.
Kako vemo, da obstajajo črne luknje?
Za opazovanje kompaktnih predmetov z velikimi masami, ki ne oddajajo svetlobe, imamo veliko opazovalnih dokazov. Ti predmeti se oddajajo zaradi gravitacijske privlačnosti, na primer zaradi gibanja drugih zvezd ali oblakov plina okoli njih. Ustvarjajo tudi gravitacijsko leče. Vemo, da ti predmeti nimajo trdne površine. To izhaja iz opazovanj, ker bi morala snov, ki pade na predmet s površino, sprostiti več delcev kot snov, ki pade skozi obzorje.
Zakaj je Hawking lani rekel, da črne luknje ne obstajajo?
Mislil je, da črne luknje nimajo obzorja večnih dogodkov, temveč le začasno navidezno obzorje (glej prvi odstavek). V strogem smislu se za črno luknjo šteje le horizont dogodkov.
Kako črne luknje oddajajo sevanje?
Črne luknje oddajajo sevanje zaradi kvantnih učinkov. Pomembno je omeniti, da gre za kvantne učinke snovi in ne za kvantne učinke gravitacije. Dinamični vesoljski čas propadajoče črne luknje spremeni samo definicijo delca. Tako kot čas, ki je izkrivljen ob črni luknji, je tudi koncept delcev preveč odvisen od opazovalca. Zlasti kadar opazovalec, ki pade v črno luknjo, misli, da pade v vakuum, opazovalec daleč od črne luknje misli, da to ni vakuum, ampak prostor, poln delcev. Ta učinek povzroča raztezanje prostora-časa.
Prvič ga je odkril Stephen Hawking, sevanje, ki ga oddaja črna luknja, se imenuje Hawkingovo sevanje. To sevanje ima temperaturo, ki je obratno sorazmerna masi črne luknje: manjša je črna luknja, višja je temperatura. Zvezdne in supermasivne črne luknje, za katere vemo, da imajo temperature precej pod temperaturo mikrovalovnega ozadja, zato jih ne opazimo.
Kaj je informacijski paradoks?
Paradoks izgube informacij povzroča Hawkingovo sevanje. To sevanje je zgolj toplotno, se pravi samo po naključju in ima določene lastnosti. Samo sevanje ne vsebuje nobenih informacij o tem, kako je nastala črna luknja. Toda ko črna luknja oddaja sevanje, izgubi maso in se skrči. Vse to je popolnoma neodvisno od snovi, ki je postala del črne luknje ali iz katere je nastala. Izkazalo se je, da ob poznavanju samo končnega stanja izhlapevanja ne moremo reči, iz česa je nastala črna luknja. Ta postopek je "nepovraten" - ulov pa je v tem, da v kvantni mehaniki takega procesa ni.
Izkazalo se je, da izhlapevanje črne luknje ni združljivo s kvantno teorijo, ki jo poznamo, in glede tega je treba nekaj storiti. Odpravite neskladje nekako. Večina fizikov verjame, da je rešitev v tem, da mora Hawkingovo sevanje nekako vsebovati informacije.
Kaj Hawking predlaga za rešitev paradoksa informacij o črni luknji?
Ideja je, da morajo imeti črne luknje način, kako shraniti informacije, ki še niso bile sprejete. Informacije so shranjene na obzorju črne luknje in lahko povzročijo majhne premike delcev v Hawkingovem sevanju. V teh majhnih premikih so lahko informacije o ujeti snovi. Natančne podrobnosti tega postopka trenutno niso jasne. Znanstveniki čakajo na podrobnejši tehnični članek Stephena Hawkinga, Malcolma Perryja in Andrewa Stromingerja. Pravijo, da se bo pojavil konec septembra.
Trenutno smo prepričani, da črne luknje obstajajo, vemo, kje so, kako nastajajo in kaj bodo sčasoma postale. Toda podrobnosti o tem, kam jim gredo informacije, še vedno predstavljajo eno največjih skrivnosti v vesolju.
Ilya Khel