Bezpośrednie badanie czarnej dziury – dlaczego nie?

I – Sondujemy czarne dziury

W tym wpisie bohaterem będzie nierotująca, masywna i stara czarna dziura. Najprostsze, co może być. Przypomnę, że czarna dziura składa się z osobliwości w centrum (niemal nieskończenie mały obiekt o niemal nieskończonej gęstości i jak najbardziej skończonej masie), horyzontu zdarzeń w jakiejś odległości od osobliwości oraz z niczego pomiędzy nimi. Horyzont zdarzeń to taka matematyczna granica okalająca osobliwość. Wszystko, co przekroczy horyzont zdarzeń, opadnie na osobliwość. Innymi słowy, przekraczając horyzont zdarzeń, nie ucieknie się z czarnej dziury. Dotyczy to też światła. Jest takie naiwne wyobrażenie czarnej dziury jako czarnej kulki (czarnej, bo nie świeci i pochłania światło i kulki, bo horyzont zdarzeń takich prostych czarnych dziur jest sferyczny) i to wyobrażenie nam teraz wystarczy. Musimy jeszcze obwiązać sondę kabelkiem, zrobić mocny supeł i spróbujemy zobaczyć, co jest pod horyzontem zdarzeń. Opuszczamy sondę.

II – Problemy i rozwiązania

Pierwszym problemem jest sama natura grawitacji. Jeśli będziemy stać daleko od czarnej dziury, to względem nas, czas wokół opuszczanej sondy będzie spowalniał. To nie jest złudzenie optyczne. Faktycznie, dla obserwatora odległego od czarnej dziury, obiekty opadające na czarną dziurę wydają się spowalniać, a ich czas wydaje się powoli zatrzymywać. Co gorsza, dla takiego odległego obserwatora, czas na horyzoncie zdarzeń stoi w miejscu. Jak będziemy obie tkwić w laboratorium, to względem nas, sonda nigdy nie przekroczy horyzontu zdarzeń. Lipa.

Żeby obejść ten problem, musimy sami opadać z sondą. Najlepiej w jakiejś bezpiecznej odległości od niej. Tutaj będziemy odbierać wskazania sondy, ale napotkamy na drugi problem związany z naturą grawitacji. Kłopotem będą siły pływowe. W ogólności polega to na tym, że opadając głową w dół, nasza głowa będzie przyciągana bardziej, niż nasze nogi. To samo dzieje się na co dzień z każdym z nas na Ziemi: nogi są przyciągane mocniej, niż głowa, bo nogi są te ~1.9 metra bliżej centrum masy Ziemi (nie wiem jak u Was). Oczywiście masa Ziemi jest tak mała, że siły pływowe wywierane na tak małych odległościach są zupełnie zaniedbywalne. Jeśliby jednak znaleźć się w pobliżu jakiejś czarnej dziury pochodzenia gwiazdowego, to siły pływowe śmiało rozciągną nas w niteczkę (to ta „spagettyfikacja”). Wszystko, co opadnie dostatecznie blisko horyzontu rozciągnie się, zmiażdży i popęka: sonda, my, kabelek, wszystko. Znowu lipa.

I ten problem da się obejść. Wystarczy wziąć do badania wystarczająco masywną czarną dziurę. Im czarna dziura będzie bardziej masywna, tym wolniej będzie zmieniała się siła grawitacji w pobliżu horyzontu zdarzeń. Owszem, na horyzoncie wciąż będzie przyciąganie takie, że nawet światło nie ucieknie, ale jakiś kilometr nad horyzontem prędkość ucieczki z okolicy czarnej dziury będzie niewiele mniejsza. Wyrażając to inaczej: na horyzoncie zdarzeń siła grawitacji zawsze jest taka sama, ale dla bardziej masywnych obiektów gradient siły grawitacji jest mniejszy. Jak weźmiemy do badania supermasywną czarną dziurę w centrum Drogi Mlecznej, to będzie OK. Zbadajmy sobie zatem supermasywną czarną dziurę, opadając razem z sondą i jej kabelkiem. W tej chwili sonda przekracza horyzont zdarzeń (my jeszcze nie). Wszelkie sygnały radiowe oraz jej obraz zostają skierowane do środka czarnej dziury. Z horyzontu wystaje jednak kabelek! Czy możemy odczytać z niego sygnały sondy? No cóż, nie.

III – Horyzont zdarzeń: Ostateczna Granica

Sygnały wysyłane po kabelku biegną jako prąd elektryczny. Ten z kolei jest ciągłą zmianą pola elektrycznego i magnetycznego. Pole elektromagnetyczne porusza się z prędkością światła, a to jest zbyt powolne, by uciec spod horyzontu zdarzeń. Po kabelku nie przepłynie do nas żadna informacja.

A co by było, gdybyśmy mieli odważnego (i głupiego) kolegę, który siedząc w sondzie szarpałby kabelkiem? Czy my nie powinniśmy odbierać tych szarpnięć? Może udałoby się przesłać informację alfabetem Morse’a?

Znów, nie. Kabelek składa się z atomów, które połączone są ze sobą wiązaniami chemicznymi i oddziaływaniami elektromagnetycznymi. Ciągnąc kabelek na Ziemi szarpiemy atomy, które szarpią kolejne atomy, a te szarpią kolejne atomy… i tak szarpnięcie rozchodzi się z prędkością światła (dla kabelków idealnie sztywnych), a jak wiemy, jest to prędkość zbyt mała, żeby wydostać się z czarnej dziury. Szarpnięcia do nas nie dojdą. Co gorsza (tak, może być jeszcze gorzej!), materia składa się z atomów, a te składają się z nukleonów i elektronów. Nukleony i elektrony porozumiewają się ze sobą przez ciągłe wymienianie się fotonami w oddziaływaniu elektromagnetycznym. A fotony poruszają się z prędkością… fotonów, czy światła. Wychodzi na to, że po przekroczeniu horyzontu zdarzeń, cała materia rozsypie się i niemożliwe będzie utrzymanie nawet atomów w całości. Możemy pożegnać się z sondą, odważnym kolegą, kabelkiem i danymi pomiarowymi. Czas wrzucić wsteczny i modlić się, że zdążymy uciec z okolicy czarnej dziury, zanim będzie za późno. Wracamy do laboratorium i piszemy artykuł. I epitafium. Koniec.

Ten wpis zamieściłem również na Mikroblogu.