Nie, czarne dziury nie ssą!

Nie ma w naszym Wszechświecie bardziej ekstremalnych obiektów niż czarne dziury. Skupiając tak ogromną masę w tak małej objętości, tworzą one wokół siebie obszar, w którym zakrzywienie przestrzeni jest tak silne, że nic - nawet światło - nie może uciec przed ich grawitacją po przekroczeniu pewnej granicy. Ta granica jest znana jako horyzont zdarzeń, a wszystko co go przekroczy, nigdy się z czarnej dziury nie wydostanie.

Spora cześć ludzi, o ile nie większość, ma niestety w głowach błędny obraz czarnych dziur. W powszechnym mniemaniu czarne dziury zasysają do siebie całą materię spoza swojego horyzontu zdarzeń. Nierzadko myślimy o czarnych dziurach wręcz jak o kosmicznych odkurzaczach, które pochłaniają wszystko, co ośmiela się zbliżyć do ich okolic. Nawet i NASA zdarza się opublikować czasem animacje ilustrujące ten efekt, jest to jednak całkowity fałsz. Czarne dziury nie ssą!

Łatwo zrozumieć skąd może brać się takie powszechne przeświadczenia na temat czarnych dziur. Grawitacja jest siłą przyciągającą, a czarne dziury są największym zbiorem masy w małej objętości przestrzeni, jaki można osiągnąć. Są to najgęstsze kosmiczne monstra występujące w całym Wszechświecie. Kiedy masywny obiekt zbliża się do czarnej dziury, łatwo jest intuicyjnie wyczuć, co powinno się wydarzyć (obiekt zbliża się do czarnej dziury, siły pływowe rozrywają go na strzępy, grawitacja czarnej dziury przyciąga całą materię, a następnie połyka wszystko, nie pozostawiając śladu). Jednak jest to być może największy kosmiczny błąd dotyczący czarnych dziur. Podczas gdy czarne dziury mają horyzonty zdarzeń, i podczas gdy wszystko, co przekroczy horyzont zdarzeń nigdy nie może się wydostać, czarne dziury nie są wielkimi kosmicznymi pożeraczami, za których je uważamy. Zamiast tego, są one najbardziej bałaganiarskimi pożeraczami, jakich można sobie wyobrazić.

Myśląc o czarnych dziurach nie myślmy więc o odkurzaczu. Zamiast tego, o wiele dokładniej - i o wiele zabawniej - jest myśleć o czarnych dziurach jak o gigantycznych kosmicznych Ciasteczkowych Potworach.

Jeśli kiedykolwiek widziałeś jak Ciasteczkowy Potwór dostaje w swoje ręce ciasteczka, będziesz wiedział, o czym mowa. Oczywiście, każde ciasteczko w pobliżu znajdzie drogę do obszaru w pobliżu ust Ciasteczkowego Potwora. Ciasteczka dostają się lejkiem do środka w jego kierunku. Ale przytłaczająca większość ciasteczkowej materii, która zbliża się do ust Ciasteczkowego Potwora nie zostanie pożarta; zamiast tego zostanie wypluta we wszystkich kierunkach, po przyspieszeniu przez różne chaotyczne siły.

Może to być zadziwiające, ale weźmy za przykład Ziemię. Na pytanie "Czy Ziemia zasysa wszystko do siebie?", oczywistą odpowiedzią jest „nie”. Ziemia po prostu ma grawitację, która przyciąga do niej różne obiekty, zniekształcając przestrzeń wokół niej i zmieniając ścieżki poruszania się obiektów, które przelatują w jej pobliżu. Jeśli te obiekty uderzą w Ziemię - trafiając w atmosferę, oceany lub powierzchnię naszej planety - wpadną do naszego świata, ale jeśli nie, uciekną przed naszym przyciąganiem grawitacyjnym.

Wykazanie, że tak jest, jest dość prostym ćwiczeniem zarówno w grawitacji Newtona, jak i Einsteina, i całkowicie zgadza się z tym, co obserwujemy, jeśli chodzi o obiekty kosmiczne uderzające w Ziemię lub omijające ją.

Teraz zadajmy sobie to samo pytanie, tylko tym razem zastąpmy planetę Ziemię hipotetyczną czarną dziurą, która ma dokładnie taką samą masę jak nasza planeta. Zamiast zajmować objętość jak Ziemia, stworzyłaby ona horyzont zdarzeń zajmujący objętość przestrzeni o średnicy nieco mniejszej niż zaledwie 2 cm!

Jeśli zbadać by bezpośrednią okolicę takiego obiektu, przekonalibyśmy się, że, poza objętością, która wyznaczała granicę ziemskiej atmosfery, zakrzywienie przestrzeni przez grawitację jest identyczne, niezależnie od tego, czy zastąpisz Ziemię czarną dziurą, czy nie. Wszystkie obiekty, które ominęłyby  Ziemię, i tak ominą czarną dziurę, która ma taką samą masę jak Ziemia. Nie istnieje w ogóle, w przypadku takiej czarnej dziury, żadna dodatkowa siła zasysająca! W rzeczywistości, wiele obiektów, które uderzyłyby w Ziemię, po zastąpieniu jej czarną dziurą, ominą taką czarną dziurę. Tylko nieliczne obiekty, które przekroczą horyzont zdarzeń - o średnicy zaledwie 2 cm (w przeciwieństwie do ~12 700 km dla Ziemi) - zostaną „połknięte”.

Ten tok rozumowania nie dotyczy tylko czarnych dziur o masie Ziemi, ale wszystkich czarnych dziur we Wszechświecie. Czarna dziura o masie Słońca będzie miała średnicę zaledwie kilku kilometrów, mniejszą niż jakakolwiek istniejąca gwiazda, biały karzeł, planeta czy nawet gwiazda neutronowa. Czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej, mimo że waży tyle co 4 miliony Słońc, ma  tylko około 18 razy większą średnicę niż nasze Słońce.

Kiedy weźmiemy pod uwagę jak duża jest przestrzeń kosmiczna i jak dużą masę mają czarne dziury, zaczniemy zdawać sobie sprawę, że ich horyzonty zdarzeń są maleńkie. Tak, mają one duże przyciąganie grawitacyjne, ale to tylko powoduje, że materia wokół nich gwałtownie przyspiesza, a to właśnie przyczynia się do tego, że czarne dziury pożerają mniej materii, niż gdyby wpadały do nich tylko odizolowane, pojedyncze cząstki.

W prawdziwym Wszechświecie to nie pojedyncze cząstki stanowią większość masy, która wchodzi w interakcję z czarną dziurą. Zamiast tego, dwoma najczęstszymi "przekąskami" dla czarnych dziur są gwiazdy lub obłoki gazu.

Typowy obłok gazu w przestrzeni kosmicznej jest znacznie większy niż nasz Układ Słoneczny, a wiele z nich ma rozmiary wielu lat świetlnych. Gwiazda zaś, gdy zbliżaja się do czarnej dziury, ulegają tzw. spaghettifikacji, czyli rozciągnięciu w długie, cienkie pasma zgodne z kierunkiem do czarnej dziury. Zanim któryś z wymienionych  wyżej obiektów dotrze do horyzontu zdarzeń czarnej dziury, jest już wiele, wiele razy większy od niego. Obiekty te zostają rozciągnięte w kierunku zbliżania się do czarnej dziury, ściśnięte w kierunku prostopadłym i podgrzane, gdyż zderzenia cząstek mogą spowodować nawet i jonizację atomów i ich rozpad na wolne elektrony i jądra.

Jasne, jeśli jakaś cząstka wpadnie w horyzont zdarzeń czarnej dziury, co część materii nieuchronnie uczyni, to zwiększy ona masę czarnej dziury, czyniąc ją większą. Jeśli jednak cząstka taka ominie horyzont zdarzeń i po prostu zbliży się do czarnej dziury, doświadczy ogromnego przyspieszenia. Naładowana cząstka w ruchu tworzy pole magnetyczne, a pola magnetyczne w spektakularny sposób zmieniają kierunek ruchu każdej innej naładowanej cząstki wokół nich.

W szczególności, cząstki te będą się nagrzewać, przyspieszać, emitować światło (w postaci promieniowania cyklotronowego lub synchrotronowego) i wytwarzać dwubiegunowe dżety prostopadłe do płaszczyzny obrotu czarnej dziury (lub strumienia akrecyjnego).

Biorąc pod uwagę, że dopiero nie tak dawni zobaczyliśmy pierwsze zdjęcie horyzontu zdarzeń czarnej dziury, można by pomyśleć, że te argumenty są całkowicie teoretyczne. Ale tak nie jest! W rzeczywistości mamy niesamowitą ilość dowodów obserwacyjnych na poparcie tego obrazu. Czarne dziury w naszej galaktyce wydają się włączać i wyłączać w szybkich, niesamowitych wybuchach wysokoenergetycznej emisji (mikrokwazary). Czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej wydaje się rozbłyskać przy przypadkowych okazjach, emitując wybuchy światła rentgenowskiego z powodu przechodzącej w jej pobliżu, zapadającej się i przyspieszającej materii. Supermasywne czarne dziury w centrach innych galaktyk - z których wiele ma masę tysiące razy większą niż nasza własna supermasywna czarna dziura - mogą być aktywne, emitując ogromne ilości energii w wyniku przyspieszania i emisji materii i energii w dokładnie taki przewidywalny sposób. Często możemy znaleźć dowody na to w wielu różnych długościach fali światła, nawet w  widocznych sygnaturach i dżetach.

Jednak niezależnie od tego, czy pochodzi ona z asteroid, planet, gwiazd, czy też gorącego lub zimnego gazu, większość napływającej do czarnych dziur materii nie skończy "karmiąc je". Zamiast tego, podobnie jak w przypadku wspomnianego Ciasteczkowego Potwora zjadającego ciasteczko, tylko niewielka część materii przedostanie się poza granicę horyzontu zdarzeń.

Z powodu intensywnych sił grawitacyjnych i ogromnego niedopasowania rozmiarów pomiędzy stosunkowo małymi czarnymi dziurami a dużymi skupiskami materii, które je zasilają, ogromna większość napływającej do nich materii jest wypluwana z powrotem w kosmos w intensywnych i gwałtownych porywach. Szacuje się, że, w przeciwieństwie do popularnego obrazu, aż 90% materii zbliżającej się do czarnej dziury nigdy nie trafi do jej wnętrza. Zamiast tego, jest ona wyrzucana z powrotem w zewnętrzne rejony galaktyki, gdzie może zasilić formowanie się nowych gwiazd i ponownie wrócić do ośrodka międzygwiezdnego.

Faktem jest, że czarne dziury nie zasysają niczego; nie ma takiej siły, którą wywiera czarna dziura, a której nie wywiera normalny obiekt (jak księżyc, planeta czy gwiazda). Grawitacja pozostaje niezmienna. Największa różnica polega na tym, że czarne dziury są gęstsze niż większość obiektów, zajmują znacznie mniejszą objętość przestrzeni i mogą być znacznie masywniejsze niż jakikolwiek inny pojedynczy obiekt. Ich oddziaływanie powoduje naładowanie energetyczne materii. Dyski akrecyjne i przepływy są czymś realnym, generującym pola magnetyczne i przyspieszającym większość spadającej materii z dala od horyzontu zdarzeń. Jeśli kiedykolwiek miałeś do czynienia z małym dzieckiem, które zjada jedną czwartą swojego jedzenia, rozlewając resztę na twarz, stół i podłogę, rozchmurz się, zawsze możesz pocieszyć się tą wiedzą: przynajmniej radzą sobie znacznie lepiej niż czarna dziura.

Artykuł po angielsku: No, Black Holes Don't Suck Everything Into Them 

opublikowany w forbes.com 19 czerwca 2019 r. (zaktualizowany 10 grudnia 2021 r.)

Autor artykułu: Ethan Siegel*

Tłumaczenie artykułu: SpaceX Polska

*Ethan Siegel - doktor astrofizyki, autor i popularyzator nauki, który wykłada fizykę i astronomię na różnych uczelniach. Od 2008 r. zdobywca wielu nagród za pisanie o nauce na blogu Starts With A Bang (w tym nagrody dla najlepszego bloga naukowego przyznawaną przez Instytut Fizyki).