Dziury wydrążone przez robaki cz. 2

W poprzednim odcinku wyjaśniliśmy sobie pokrótce czym są czarne dziury i jak powstają. W tym wpisie wyobrazimy sobie siebie w czarnej d... dziurze. Zapraszam na wycieczkę do osobliwości!

Jeśli obiekt mija czarną dziurę z daleka, tor jego ruchu może się zakrzywić w jej kierunku, ale on sam nie musi w nią wpaść. Jeśli ciało znajduje się odpowiednio blisko czarnej dziury, wówczas wpada w nią, poruszając się po spiralnym torze. Jak wiemy grawitacja czarnej dziury jest tak ogromna, że ten sam los spotyka nawet foton światła. Krytyczna odległość, która oddziela te dwa światy  (wewnątrz i na zewnątrz czarnej dziury) nazywa się horyzontem zdarzeń. Wszystko co wpadnie za horyzont zdarzeń - nawet światło - zostaje uwięzione w czarnej dziurze.

Wpadanie do czarnej dziury zostało określone jako "spaghettifikacja". Mówię serio. Jest to termin naukowy! Już tłumaczę skąd ta nazwa.
Gdyby patrzeć na zjawisko grawitacji jako na zakrzywienie czasoprzestrzeni pod wpływem masy (trampolina i kula - pamiętacie?) to wiemy, że masa czarnej dziury jest tak olbrzymia iż czasoprzestrzeń nie tylko się zakrzywia. Powstaje w niej studnia bez dna o stromych ścianach. I właśnie z powodu stromości tych ścian w czasoprzestrzeni wokół czarnej dziury istnieje bardzo duży gradient grawitacji. To znaczy, że siła grawitacji wraz ze zbliżaniem się do tej studni czasoprzestrzeni gwałtownie rośnie. Gdybyś wpadł do środka nogami do przodu, wtedy twoje nogi byłyby przyciągane o wiele bardziej niż np głowa. Bo ta znajdowałaby się dalej od horyzontu zdarzeń. A zatem twoje ciało zostałoby naciągnięte, jak przy użyciu maszyny do tortur. W pobliżu czarnej dziury bylibyśmy rozciągnięci jak guma do żucia w długą nitkę. Każdy jeden atom naszego ciała uległby najpierw wyciągnięciu w kierunku czarnej dziury a następnie rozerwaniu. Mało wesoła perspektywa.

Spaghettifikacja

Dla obserwatora z zewnątrz byłby widoczny jeszcze jeden efekt. Masa powoduje dylatację czasu. (Jeżeli temat dylatacji czasu itp nie jest ci znany zapraszam do mojego innego bloga poświęconemu właśnie takim efektom)(KLIK). Masa czarnej dziury jest olbrzymia więc w jej pobliżu czas się prawie zatrzymuje. Z zewnątrz wyglądałbyś więc jak byś był zamrożony. Twój czas stanąłby w miejscu (ale tylko dla obserwatora z zewnątrz). Dla ciebie zaś twój czas biegłby zwyczajnie, ale czas na zewnątrz drastycznie by przyspieszył. Można wręcz powiedzieć, że czarne dziury to machiny dzięki którym można podróżować w czasie. U ciebie minęłaby sekunda podczas gdy poza czarną dziurą minęłyby tysiące lat!

Czarne dziury choć są ciekawymi obiektami w kosmosie to jednak niezbyt nadają się do zwiedzania. Wchłaniają wszystko w swoim pobliży i na pewno nie jest to bezbolesne. Ktoś mógłby się oburzyć: Zaraz! A gdzie prawo zachowania energii?! Skoro czarna dziura wchłania materię to powinna zamienić ją albo na energię albo na inną materię!
Rzeczywiście. Fizyka nie dopuszcza sytuacji, w której informacja przepada na zawsze. I z pomocą przychodzi nam kolejny mądrala o nazwisku zaczynającym się na "H".
Do przeczytania w następnym odcinku!

Dziury wydrążone przez robaki

Ostatnie wpisy, które na blogu popełniałem przerodziły się w małą... telenowelę. I choć bardzo się starałem nie za dobrze mi to wychodziło. Postanowiłem wrócić do korzeni i oszczędzić sobie i przede wszystkim moim czytelnikom nudne, czasem już żenujące historyjki. 

Moja najwierniejsza czytelniczka opowiedziała mi ostatnio co jej się śniło. Widziała zjawisko, które (tylko we śnie) sam chętnie chciałbym przeżyć. Śniła jej się czarna dziura, która rosła zastępując Słońce i wciągając Ziemię. Na początku kiedy usłyszałem "śniła mi się czarna dziura" myślałem, że chodzi o jakiś sen erotyczny, konkretniej o miłość per rectum(KLIK). Jednak chodziło faktycznie o kosmiczną czarną dziurę.

 Z jej zeznań wynika, że sen był dosyć realny. Bo czarne dziury powstają właśnie z zapadających się gwiazd. To się nazywa kobieca intuicja astrofizyczna! Czym są czarne dziury? Jak ten sen mógłby się skończyć? Spróbuje odpowiedzieć na te pytania w tym i może kolejnych wpisach. Skąd ten pokrętny tytuł wpisu? Znawcy tematu czarnych dziur już wiedzą o co chodzi. Ci, którzy się nie znają (jeszcze się nie znają) dowiedzą się.

Wpadnięcie do czarnej dziury nie byłoby przyjemne. Mielibyśmy kończyny rozdarte na kawałki a podczas spadania w czarną dziurę dla obserwatora z zewnątrz wyglądalibyśmy jak zamrożeni w czasie.

Czym są czarne dziury?

Pamiętasz pewnie jak pisałem o prędkościach kosmicznych i o tym dlaczego Księżyc nie spada na Ziemię (właściwie sęk w tym, że spada, ale jest to wieczny spadek). To jest ten post(KLIK). Omawiałem tam przykład kuli armatniej. Teraz wyobraźmy sobie podobną sytuację, ale zamiast kuli niech to będzie piłeczka. Jeśli wyrzucisz piłkę w powietrze, osiągnie ona pewną wysokość i spadnie z powrotem na ziemię. Im większą prędkość nadasz piłeczce tym wyżej poleci. Jeżeli nadałbyś jej wystarczająco dużą prędkość piłka uciekłaby ziemskiej grawitacji i poleciała w przestrzeń kosmiczną. Prędkość potrzebna by to osiągnąć to około 11 km/s. Taką prędkość musi osiągnąć rakieta, aby uciec z Ziemi. Jak pisałem we wcześniejszym wpisie, prędkości ucieczki są uzależnione od masy planety z której rakieta miałaby uciec. Na przykład na Księżycu, który posiada tylko 0,0123 masy Ziemi wystarczyłoby nadać piłce prędkość 2,4 km/s aby poleciała w przestrzeń kosmiczną. I znów gdybyś stał na bardziej masywnej planecie, wtedy prędkość ucieczki wzrosłaby. A gdyby istniała planeta tak masywna, że prędkość ucieczki przekroczyłaby prędkość światła? Nawet światło nie byłoby w stanie uciec w przestrzeń kosmiczną. I taki właśnie obiekt, tak masywny i gęsty, że nawet światło nie może z niego uciec nazywamy czarną dziurą.

Skąd się biorą czarne dziury?

Moja KOCHANA czytelniczka twierdziła, że we śnie obserwowała Słońce i ze Słońca zaczęła się tworzyć czarna dziura. Sen doskonale odzwierciedlił rzeczywistość! No może nie do końca doskonale. Później powiem dlaczego. Ale czarne dziury w rzeczy samej rodzą się z gwiazd! Ich pierwsza nazwa z resztą brzmiała "umarłe gwiazdy".

Skąd się biorą? Aby to wyjaśnić, koniecznie wypada wspomnieć o ogólnej teorii względności Einsteina. Zanim Einstein opublikował swoją rewolucyjną teorię, grawitację uważano za sztywną siłę utrzymującą przy sobie ciała na uwięzi. Odkrycie Einsteina zrewolucjonizowało spojrzenie na grawitację. Stała się ona wgłębieniami na płótnie czasoprzestrzeni. Brzmi dziwacznie?

Wyobraź sobie trampolinę. Kładziesz na niej ciężką kulę do kręgli. Ciężar kuli wgniata trampolinę tworząc wokół niej zagłębienie. Puszczasz teraz po trampolinie mniejszą piłeczkę. Co się dzieje? Mniejsza piłeczka krąży wokół kuli, krąży i krąży po coraz to mniejszej odległości od kuli aż w końcu wpada w zagłębienie i spada na kulę. Newton powiedziałby, że to siła grawitacji wywołana masą kuli przyciąga mniejszą piłeczkę do kuli. Einstein zaś powiedziałby: "Puknij się w swój herbaciany łeb Newton. Tu nie ma żadnej siły. To masa kuli sprawia, że czasoprzestrzeń (płótno trampoliny) się zagina co sprawia, że mniejsza piłeczka, która po tej przestrzeni się porusza spada na kulę.

Im bardziej masywna kula (planeta), tym bardziej jest wgniecione płótno trampoliny (czasoprzestrzeń) i tym większa grawitacja wokół niej.

Powiedzmy że to niebieskie to płótno trampoliny, żółte to kula do kręgli, a zielone to piłeczka

A teraz co by było gdyby kula do kręgli była tak ciężka, że zakrzywiłaby płótno trampoliny do tego stopnia, że z zagłębienia zrobiłaby się studnia bez dna? Wszystko co wpadłoby po trampolinie do takiej studni owszem, dotarłoby do kuli, ale płótno byłoby tak zakrzywione, że nic nie mogłoby się od tej kuli wydostać. Czym masywniejsze ciało, tym większe zagłębienie w niewidzialnej tkaninie. Ta elegancka koncepcja zmieniła rozumienie wszechświata, jednocześnie rodząc wiele nowych, nurtujących pytań. Wśród nich jedno, wyjątkowo fascynujące: co otrzymamy, gdy skupimy niewiarygodnie wielką masę w maleńkim punkcie? Otrzymamy czarną dziurę!

No dobrze. Ale nadal nie wiemy skąd się takie masywne skurczybyki w kosmosie biorą!

Sam pomysł istnienia takich miejsc w kosmosie budził silny sceptycyzm ówczesnych naukowców. Obliczeń podjął się jako pierwszy Karl Schwarzschild, astrofizyk zainteresowany geometrią wszechświata. Zajmując się coraz mniejszymi punktami w przestrzeni, Niemiec napotykał spore problemy. Normalnie, gdy zbliżamy się do jakiegoś obiektu dwukrotnie, to siła grawitacji wzrasta czterokrotnie – zgodnie z prawem powszechnego ciążenia. Równania ogólnej teorii względności wskazywały jednak na niezwykły i zatrważający wniosek – odpowiednie zagęszczenie materii, przekraczające pewną krytyczną granicę, powoduje, że siła grawitacyjna dla tej materii staje się nieskończona! Dziś tego typu ewenement nazywamy osobliwością – miejscem, w którym standardowo rozumiana fizyka traci sens.

Schwarzschild obliczył, że każde ciało może osiągnąć taki stan, o ile zostanie zgniecione do odpowiednio małych rozmiarów. Po przekroczeniu tej granicy, praktycznie niemożliwym jest powstrzymanie dalszego zapadania się obiektu w samym sobie. W ten sposób astrofizyk jako pierwszy przewidział powstanie „zmarłej gwiazdy” (oficjalnie po raz pierwszy sformułowania „czarna dziura” użył na konferencji z 1967 roku John Wheeler). Dla naszego Słońca promień Schwarzschilda wynosi najwyżej kilkanaście kilometrów. Oznacza to, że skurczenie jego masy, do rozmiarów niewielkiej planetoidy, zaowocuje nieposkromionym zapadaniem się w sobie, bez możliwości odwrotu. Długość promienia krytycznego, będzie proporcjonalnie uzależniona od masy obiektu. Niewielkie ciało, wielkości Ziemi, trzeba by zmiażdżyć do rozmiarów paru centymetrów, aby stało się czarną dziurą. Nie powinno nas dziwić, iż przez długie lata uznani profesorowie zgodnie twierdzili, że w przyrodzie nie ma miejsca na tego typu fizyczne wynaturzenia. W 1939 Einstein napisał: Logiczny jest wniosek o nieistnieniu osobliwości Schwarzschilda w fizycznej rzeczywistości. 

Dziś wiemy, że Albert Einstein był w błędzie i nie docenił potencjału własnej teorii. Otwarty pozostawał problem, co musi się stać, aby osobliwość Schwarzschilda rzeczywiście powstała. Tylko jedna kategoria obiektów w kosmosie posiada wystarczający potencjał, aby wiązać z nią narodziny czarnych dziur – gwiazdy. Niczym ogromne piece termojądrowe spalają biliony ton wodoru, zamieniając go na coraz cięższe pierwiastki. Przez cały ten czas, trwa siłowanie między termicznym ciśnieniem rozsadzającym gwiazdę, a grawitacją próbującą ją zmiażdżyć. Ostatecznie dochodzi do momentu wyczerpania paliwa, gdy powstaną pierwiastki, z których reakcje jądrowe nie zdołają wykrzesać więcej energii. W dalekiej przyszłości czeka to wszystkie gwiazdy, jedne po milionach, inne po miliardach lat. Czym mniejsza gwiazda, tym spokojniejszy i, paradoksalnie, dłuższy jej żywot. Przeciętne w tej skali Słońce znajduje się mniej więcej w połowie swojej egzystencji, a jego końca należy się spodziewać nie wcześniej niż za 4 miliardy lat.

Czarne dziury powstają przy okazji znacznie efektowniejszej śmierci, która spotyka największe gwiazdy. Mowa tu o hiperolbrzymach jak Rigel czy Betelgeza, osiągających masę kilkunastokrotnie większą od naszego Słońca. Metabolizm gigantycznych gwiazd pozwala na nieco więcej, a ich koniec należy do najdramatyczniejszych wydarzeń jakie spotykamy w kosmosie.

Początek tego procesu przebiega analogicznie w przypadku wszystkich gwiazd. Gdy kończy się paliwo jądrowe temperatura spada, a wraz z nią bijące na zewnątrz ciśnienie. Grawitacja zaczyna dominować, naciskając coraz bardziej na jądro. Miażdżona materia ulega degeneracji, ponieważ cząstki elementarne znajdując się tysiące razy bliżej niż normalnie, zaczynają drgać w sposób niekontrolowany. Fizycy zajmujący się mechaniką kwantową zwracają uwagę, że zdegenerowane elektrony zachowujące się częściowo jak fale o bardzo krótkich długościach (z braku miejsca), noszą ponadprzeciętnie wielką energię. To tak zwane ciśnienie degeneracji elektronów. Hinduski noblista Subramanyan Chandrasekhar obliczył, że jeżeli zapadająca się w ten sposób gwiazda nie przekracza masy 1,4 Słońca, to powstanie swojego rodzaju status quo między oddziaływaniem grawitacji a ciśnieniem degeneracji elektronów. Owocem tej równowagi będzie gęsty i blado świecący biały karzeł o średnicy zbliżonej do Ziemi. Chandrasekhar spodziewał się, że cięższych gwiazd nie czeka tak łagodny scenariusz. Białe karły uważane w pierwszej połowie XX wieku za coś niezwykłego, miały się okazać niczym szczególnym w porównaniu z tym co dopiero czekało na odkrycie. Znawca tematu teorii względności Artur Eddinhton skomentował te wnioski: Mogą nastąpić rozmaite wydarzenia, które uratują gwiazdę, lecz ja chcę pewniejszej ochrony. Uważam, że powinno być jakieś prawo przyrody, dzięki któremu owo absurdalne zachowanie gwiazdy staje się niemożliwe! To już drugi raz, kiedy cieszący się wielką sławą naukowiec nie chciał przyjąć do wiadomości, że natura potrafi wymknąć się poza standardowe postrzeganie wszechświata. Mimo sprzeciwu legendy brytyjskiej astronomii, teoria Chandrasekhara zyskała poparcie.

Wróćmy raz jeszcze do kończącego swój żywot hiperolbrzyma. Po wypaleniu swojego podstawowego ładunku – wodoru – musi się zadowolić helem, a następnie coraz cięższymi pierwiastkami – tlenem, węglem, magnezem, siarką, neonem, krzemem i tak dalej. Gwiazda posila się w najlepsze, aż do powstania w jej wnętrzu atomów żelaza. Pierwiastek ten działa niczym trutka, gwałtownie przerywając procesy termojądrowe. Na jądro zaczyna oddziaływać gigantyczna siła grawitacji, tak wielka, że ciśnienie degeneracji elektronów jego materii nie wystarcza do zahamowania procesu zgniatania. W tym czasie, zewnętrzne warstwy gwiazdy błyskawicznie spadają do środka, co powoduje „odbicie” z monstrualną energią. Dochodzi do eksplozji, która wstrząsa niebiosami – supernowej. W ułamku sekundy wytwarzana jest energia tysiące razy większa niż nasze Słońce wypromieniuje w ciągu całej swojej egzystencji. Gdy tego typu katastrofa przydarzyła się w odległości ponad 7 tysięcy lat świetlnych, wybuch był widoczny na naszej planecie nawet w dzień, a promieniowanie zostawiło ślad w rdzeniu lodowym Antarktyki. We wnętrzu piekła supernowej następuje ostateczny triumf grawitacji – poddane gigantycznemu ciśnieniu jądro zapada się w sobie tworząc czarną dziurę. 

Bestia wsysa siłą grawitacji wszystko w swoim pobliżu. I na nic zdadzą się schrony antyczarnodziurowe w piwnicach pod schodami.

CDN

P.S. Zmieniłem trochę pismo i tło. Uważam że tak wygodniej się mnie czyta. I przyjemniej.

P.S.2 Zawsze czyta się mnie przyjemnie.