Zdjęcie czarnej dziury – dlaczego jest tak ważne

Dopiero od niedawna dysponujemy zdjęciem czarnej dziury – oznacza to zatem, że ludzkości udało się wyjść poza teoretyczne rozważania dotyczące ich istnienia. To, jak czarna dziura wygląda i jak się zachowuje, było do tej pory jedynie przemyśleniami naukowców, które w chwili uzyskania zdjęcia się potwierdziły. I mimo że nie jesteśmy w stanie zobaczyć na nim czarnej dziury, to jedno z najważniejszych zdjęć 2019 roku jest wybitnym dowodem na jej istnienie.

Co właściwe znajduje się na zdjęciu?

Na zdjęciu w oczy rzucają się dwie rzeczy – czarny owal pośrodku i okrążający go żółto-czerwony pierścień. Czarne miejsce w centrum zdjęcia to cień czarnej dziury. Z kolei aureola okrążająca to miejsce to pył i gaz, który pod wpływem grawitacji jest przyciągany do zapadającej się gwiazdy. Uwięzione w ten sposób chmury pyłu i gazy noszą nazwę dysków akrecyjnych. Krążąc wokół czarnej dziury przyspieszają i rozgrzewają się, czego efektem jest coraz wyższa temperatura.

Dysku akrecyjne generują ogromne ilości promieniowania. Jest to skutkiem tarcia, jonizacji i silnego przyspieszenia cząsteczek, które są wchłaniane przez czarną dziurę. Wraz z szybkością uwalnia się również coraz to jaśniejsze światło – dlatego tez podejrzewa się, że obiekty te mogą być jednymi z najsilniej świecących we Wszechświecie.

Horyzont zdarzeń

Masa i szybkość obracania się czarnej dziury zakrzywia czasoprzestrzeń. W konsekwencji nic, co się do niej zbliża, nie jest w stanie oprzeć się jej sile przyciągania grawitacyjnego. Siła ta tworzy cień w postaci doskonałego koła. Fotografii udało się go uchwycić, dlatego też możliwe było porównanie go z opracowanymi już wcześniej modelami komputerowymi – krótko mówiąc, dzięki zdjęciu udało się potwierdzić wcześniejsze oszacowania masy czarnej dziury.

Cień ten jest manifestacją istnienia horyzontu zdarzeń. To właśnie za nim gęstość jest tak wysoka, że każda materia, którą czarna dziura wchłonęła, nie jest w stanie z niej wrócić – tyczy się to również światła. Horyzont zdarzeń jest granicą czasoprzestrzeni. Zdjęcie udowadnia zatem, że istnieje nie tylko czarna dziura, ale i otaczający ją horyzont zdarzeń. Co więcej, oprócz uwięzienia materii i światła, zakrzywienie czasoprzestrzeni sprawia też, że czas zwalnia.

Wydarzenie stulecia

Mimo wcześniejszych rozważań dopiero w latach 60 ubiegłego wieku udało się teoretycznie wykazać, że czarna dziura z logicznego punktu widzenia musi istnieć w konsekwencji obowiązywania ogólnej teorii względności. Rozmiar i kształt czarnej dziury, której zdjęcie jest już powszechnie znane, odpowiada poczynionym predykcjom. Jeszcze 40 lat temu wykonanie fotografii byłoby zupełnie nie do pomyślenia.

Jak powstaje czarna dziura?

Czarne dziury to gwiazdy, które zapadły się same w sobie – jest to jednak jedynie efekt serii zdarzeń, która ma miejsce. Przede wszystkim masa takiej gwiazdy jest od 20 do 150 razy większa niż masa naszego słońca. Kiedy skończy się na niej wodór, rozpoczyna się pasmo gwałtownych zmian w jądrze gwiazdy. W efekcie zachwiania się równowagi chemicznej gwiazda zapada się do swojego wnętrza w eksplozji noszącej nazwę supernowej.

Istnieje też możliwość zapadnięcia się supermasywnej gwiazdy bez eksplozji – ma to miejsce wtedy, gdy jądro gwiazdy zapada się tak szybko, że nie pozwala to na ucieczkę fotonów i prowadzi do bezpośredniej przemiany w czarną dziurę. Po uformowaniu się, czarna dziura powiększa swoje rozmiary pobierając masę z otaczającej ją materii.

Istnieje też możliwość zderzenia się dwóch czarnych dziur. Wykrycie w 2015 roku fali grawitacyjnych w efekcie ich kolizji świadczy o tym, że Einstein po raz kolejny się nie mylił. Zdarzenie to otwiera też ludzkości drogę ku lepszemu zrozumieniu sił grawitacji i innych zdarzeń mających miejsce w Kosmosie.