Najczarniejsze ‘‘czarne dziury” i najjaśniejsze kwazary

Kiedyś (a było to już dawno temu) przebywając w małej podkarpackiej miejscowości, wyszedłem nocą nad Wisłokę i spojrzałem w wygwieżdżone letnie niebo.

Jego firmament jakby dopiero otworzył się dla mnie, cały utkany z mrugających światełek, to jaśniejących, to gasnących w zawirowaniach i w strugach naszego ziemskiego powietrza, które nad rzeką były szczególnie intensywne, bowiem woda oddawała swe całe dzienne nagrzanie.
I wtedy, nie wiedzieć czemu, przyszło mi na myśl, co też czuł człowiek pierwotny, żyjący w jaskiniach, kiedy tylko wzniósł wzrok w górę, ku niebu. Czy podobnie jak mnie Wszechświat go obezwładniał, przerażał i oszałamiał swoim ogromem i nieskończonością?

A później zawstydziłem się swego współczesnego spojrzenia z obowiązkową wyższością na tak odległego przecież mi przodka: on czuł dokładnie to samo, co i ja teraz czułem, a jeśli – dodatkowo przysiadł na tym samym wzgórzu – zaplątany w niebo, w czarną ścianę lasu, w zbrykające po kamieniach i pluszczące przy brzegach bystrzyny wód nie nazwanej jeszcze przez niego rzeki, to myślał tylko o wielkości i pięknie tego, co było ponad nim. Czuł wprawdzie jedność tego, co otaczało go wokół i mrugało zachęcająco gwiazdami, ale nie wiedział on wtedy nic o mechanice nieba.

Także i ja dzisiaj niewiele wiem o tym, co to wszystko wprawiło w ruch “wieczny” w pojęciu człowieka, bo wiem przecież, że – być może – również cały ten nasz Wszechświat czeka nieuchronna zagłada. Kiedyś...
Astronomowie nabierają coraz większego przekonania, że gwiazdy, galaktyki, super- i megagalaktyki – twory niesłychanie duże w naszym ludzkim pojęciu (jakże ciężko wyobrazić sobie nam jeden rok świetlny, skoro wiemy, iż światło rozchodzi się z szybkością 300.000,00/sek., a od najbliższej nam gwiazdy dzieli dystans 4,5 lat świetlnych!). To nic, to dopiero początek, ‘‘widzialne” zagadki, w porównaniu z tym, co jest poza naszym Wszechświatem, tuż za jego “ścianą”.

Gdyby siatkówka ludzkiego oka wyłapała fale krótsze niż głęboki fiolet bratków i dłuższe niż czerwień szlachetnego kamienia – rubinu – dojrzelibyśmy, że tylko nasz “zwyczajny” firmament niebieski obfituje w takie turbulencje i takie rozpalone do jaskrawej białości fajerwerki materii, iż na widok tych wspaniałości, przywołany na początku tego artykułu człowiek pierwotny, zapiałby z zachwytu. Zresztą my sami zachowalibyśmy się podobnie, niepomni tego, iż nam “nie wypada”, bowiem wiemy o naszym Wszechświecie dużo, dużo więcej niż nasi pierwotni, a nawet ubiegłowieczni przodkowie.

Widzielibyśmy “czarne dziury”, które wsiorbują w swoje wnętrze najbliższych sobie sąsiadów. Widzielibyśmy strugi plazmy mknące po niebie z szybkością zbliżoną do szybkości światła oraz o energii porównywalnej do 100 milionów słońc rozpalonych jednocześnie. Widzielibyśmy gwiazdy tak małe, jak niewielki kamuszek, a jednocześnie tak ciężkie, że moneta 25-centowa ważyłaby – na nich 100,000 ton. I tak wielkie, rozdęte niczym balony, które po pewnym czasie (oczywiście mierzonym w kategoriach Wszechświata, a nie człowieka!) zapadają się w siebie, niczym niedopieczone suflety.

Bylibyśmy tym wszystkim tak oszołomieni, jak ci wszyscy, którym udało się spojrzeć do maszynerii przesuwających się przed nimi nieznanych wcześniej obrazów, istniejących także, tyle że poza “gołym”, nieuzbrojonym w instrumenty, ludzkim okiem.

Właśnie owe instrumenty ujawniły nieznane dotychczas człowiekowi oblicze, czy raczej – oblicza. Wszechświat w tych lub innych częściach elektromagnetycznego widma, czy nawet obrazów przekazywanych spoza atmosfery ziemskiej przez tak prosty czytnik, jakim jest teleskop Hubble’a zamontowany w przestrzeni okołoziemskiej.
Przez te rozmaite czytniki, zarówno istniejące w ziemskich obserwatoriach, jak i na satelitach specjalnego przeznaczenia, które umieszczono na trajetoriach okołoziemskich, jak też wysłano daleko, daleko od nas na kosmiczne szlaki, nawet poza nasz układ planetarny – dowiadujemy się tak wiele w obecnych czasach, że otwierają się przed człowiekiem zgoła nowe rubieże poznania.

Dokąd prowadzi ‘‘czarna dziura”?
Gdy fizycy i zarazem filozofowie zajmujący się kosmologią i kosmogonią, sformułowali teorię Wiekiego Wybuchu, czyli Osobliwości lub Praatomu, który – mówiąc najprościej – w pewnym momencie (w ziemskim znaczeniu słowa, bo takiego momentu wówczas nie było i dopiero później zaczął biec czas) eksplodował i rozpoczął swą ekspansję w “przestrzeni” (ona również nie istniała), a więc nie było “nic”, a stało się ‘‘coś”, i tym “czymś” zajęli się astronomowie, szukając dowodów na stałe rozszerzanie się Wszechświata. Bo jedno z dwojga – albo Wszechświat się kurczy, albo rozszerza.

Po wielu dyskusjach świat nauki uznał, iż jednak ‘‘przemy” naprzód i nie mamy tendencji zahamowania w tym ruchu (to też dowód bardziej ze sztuki Cwojdzińskiego, bowiem mówimy jak mrówki usadowione na grzbiecie słonia: “no, ruszaj się stary!”). A skoro tak jest, to co stało się z 5/6 masy Wszechświata? I wówczas pojawiła się ‘‘czarna dziura”. Teoretycznie.
Nazwa “czarna dziura” brzmi niezwykle zagadkowo, lecz w swojej istocie jest bardzo prosta i doskonale “pasuje” do zjawiska.

W przeciwieństwie do ludzi, małp, wielorybów i innych zwierząt pośród których żyjemy, planet naszego Układu Słonecznego, a nawet odkrywanych w tej chwili na pęczki planet innych układów słonecznych, wszystko to o czym mówię zbudowane jest z materii, a ta składa się z mnóstwa atomów połączonych ze sobą w niezmiernie zawikłany sposób, tworząc cząstki – “czarna dziura” składa się tylko z dwóch części: punktu centralnego zwanego przez fizyków i astronomów osobliwością oraz wyimaginowanej “powierzchni” (znowu pojęcie jak najbardziej umowne) otaczającej ją i zwanej horyzontem zdarzeń.
“Zemsta” grawitacji

Związek między osobliwością a horyzontem zdarzeń wyjaśnia dobrze teoria względności Alberta Einsteina. Teoria ta łączy – przypominam tylko najprostszą jej formułę – czas i przestrzeń w jakościowo nową jednię: czasoprzestrzeń i wskazuje jednocześnie trzeci czynnik tych kategoii – grawitację, która na nie oddziaływuje. Mówi się niekiedy o “zemście” grawitacji nad czasoprzestrzenią, gdyż tylko ją zniekształca w różne dziwne sposoby, a sama jest “nieczuła” na czasoprzestrzeń.

“Czarne dziury” wykazują do jakiego stopnia owe zniekształcenie może doprowadzić. W ich przypadku olbrzymia koncentracja masy w osobliwości deformuje czasoprzestrzeń tak dalece, że osobliwości po prostu zostają ‘‘odcięte” od reszty naszego Wszechświata, bo – jeśli są inne wszechświaty – może zaistnieć inna sytuacja, o czym za chwilę. Horyzont zdarzeń wyznacza punkt, z którego nie ma już powrotu w naszą kosmiczną rzeczywistość. Przynajmniej w ludzkim rozumieniu słowa. Na razie wiemy tylko tyle, że każda masa, która granicę horyzontu przekroczy, nie może wrócić “na swoje miejsce” do naszego Wszechświata.

Celowo używam słowa: “naszego”. Bo – być może – są inne wszechświaty i w nich owa “masa” potrafi się umiejscowić.
Wokół “czarnych dziur” czas zachowuje się naprawdę dziwnie. Im bliżej “czarnej dziury”, tym zarazem czas płynie wolniej, prawie “przystaje” w miejscu. Toteż kosmiczny podróżnik wlatujący w “czarną dziurę”, dla postronnego obserwatora tej sytuacji umieszczonego “na zewnątrz” horyzontu wydarzeń, będzie sprawiał wrażenie, że zawisł nad krawędzią ‘‘czarnej dziury” na zawsze i w ogóle nie porusza się, tkwiąc niczym przedpotopowa mucha w żywicy, która z wolna zmienia się w bursztyn. Uwiązł on ‘‘na zawsze’’ w czasoprzestrzeni. Ale tak mogłoby wydawać się, gdyby nie fakt, że krzywizna przestrzeni rozciąga każdy promień światła, jaki ów podróżnik wysyła odbity od niego. Bo jak już “sunie” dalej, to i nawet światło “więźnie” i podróżnik “znika”.

Na horyzoncie zdarzeń światło rozciąga się w nieskończoność, zaś wewnątrz ‘‘czarnej dziury” role czasu i przestrzeni zostały odwrócone. We Wszechświecie zewnętrznym, który otacza “czarną dziurę’’ czas porusza się tylko w jedną stronę – naprzód. W “czarnej dziurze” jeden kierunek ma tylko przestrzeń – do środka. Gdyby umieć ten fenomen wykorzystać – wówczas podróże człowieka do innych światów czy nawet wszechświatów, jeśli one rzeczywiście istnieją, co na razie potwierdza tylko wyższa matematyka, byłyby dziecięcą wprost igraszką. Obecnie tylko rozważano taką możliwość, ale być może jutro – kto wie?

“Czarna dziura” – rzecz jasna – to coś więcej niż sama grawitacja. Ale niewiele więcej. Wyobraźmy sobie łyżwiarkę wykonującą skomplikowany piruet: gdy przyciska ręce do tułowia – obraca się szybciej, zaś gdy je z gracją rozkłada – wolniej. Podobnie dzieje się z protagalaktyczną kulą gazu lub dużą gwiazdą, które dostały się w zasięg ‘‘czarnej dziury”, kurczą się one w sobie, zaczynają wirować coraz szybciej, o wiele szybciej niż przed dostaniem się w “objęcia” zachłannej towarzyszki, co – oczywiście – musi mieć wpływ na ich pole grawitacyjne. “Czarna dziura” może być ponadto naładowana elektrycznie ujemnie lub dodatnio i mieć bieguny magnetyczne: uzyskuje je dzięki pochłanianiu naładowanych wcześniej już cząsteczek z ‘‘pożeranego’’ w danym momencie ciała. Nadano takim “czarnym dziurom” pojęcie ‘‘smakoszy”, bowiem wybrzydzają przy tych ciałach, które mają ładunki elektryczne jednoimienne i nie “pasują” do nich.

Lecz oprócz przerażającej, ogromnej masy, momentu jej pędu i, ewentualnie, takiego a nie innego ładunku elekrycznego – nic już innego nie można dodać jako cechy charakterystycznej dla “czarnych dziur”. Zatem nie wyróżniają się od siebie i nie mają żadnych cech zewnętrznych – są tylko większe i mniejsze; ich “apetyty” są równe sobie. Olbrzymie i niezaspokojone. Żartobliwe powiedzonko znanego astronoma, Johna Wheelera: “Czarna dziura nie ma włosów” stało się po prostu twierdzeniem astronomicznym determinującym opis tych dziwnych “ciał’’ Wszechświata.

Są, funkcjonują, pochłaniają inne ciała, rozrastają się coraz bardziej dzięki swym umiejętnościom górowania własną masą nad pozostałymi tworami zgromadzonymi we Wszechświecie.

Jak domyślasz się, drogi czytelniku – “czarna dziura” nie tylko, że nie ma włosów, również nie daje się fotografować. O jej istnieniu dowiadujemy się z innych faktów, które potwierdzają to, że “czarne dziury” nie są dowolną spekulacją matematyczno-fizyczną, lecz czymś naprawdę istniejącym i działającym w kosmicznych przestrzeniach.

Nie sposób doprawdy stwierdzić, skąd wzięły się “czarne dziury” i dlaczego mają one, przynajmniej pierwotnie, od razu swoją masę. Od czegoś musiały przecież “zacząć” swoje bytowanie, którego cechą jest dominująca “w okolicy” potworna wręcz masa ściśnięta do niewiarygodnie małej objętości.
Współcześni fizycy przychylają się raczej do wniosku, że początkiem “czarnej dziury” była zapadająca się w sobie gwiazda neutronowa, która jest tak wewnętrznie “upakowana”, że jej atomy tracą swoje powłoki elektronowe, dzielące je od jądra i tworzące przestrzeń atomu, zaś w nich panuje już taki “ścisk”, iż wszystkie elementy składające się na atom, mieszają się ze sobą, wpadają na siebie, bombardując się wzajemnie i, tym samym, pogłębiają chaos w tej niewyobrażalnie niewielkiej przestrzeni, jaką mają.

I pożądana masa jest już gotowa, rozpoczynając swą “ekspansję” w stosunku do wszelkiej materii od pojedynczych cząsteczek, które napatoczyły się na drodze, gazy metagagalaktyczne, aż po gwiazdy: nie oprą się im nawet czerwone giganty o masie 100 bilionów większej od naszego Słońca. Poza tym “czarne dziury” upchane tak mocno materią “odebraną” ze wszystkich możliwych źródeł, nie różnią się wcale od swych siostrzyc, innych “czarnych dziur”, w których akurat ugrzęzły stada krów, byków, czy baranów i owiec. Bo światło uwięzło w nich na dobre i nikt nie widział ich upchanych czymkolwiek i kiedykolwiek. Nawet samochodami marki ferrari-diavolo.

Posępna i groźna “czarna dziura” potrafi wycisnąć swoje piętno na otoczeniu, niczym Zła Macocha z “Królewny Śnieżki” warząca zatrute jabłko w tajemnych zamkowych komnatach. Nie widać jej, a egzystuje porwana jedną tylko namiętnością: zazdrością i nienawiścią do swojej pięknej pasierbicy, w tym zaś przypadku czytaj: do widzialnych ciał niebieskich o normalnej strukturze, ciężarze i grawitacji. Ta sama namiętność miota ją, stąd napada, wysysa, pożera swe świetliste siostrzyce – promieniujące, gorące i widzialne w całej swej krasie. “Czarne dziury” to złośliwe widma Wszechświata. Jednak do czegoś potrzebne, skoro są. Uczeni twierdzą, że w naszej galaktyce, Drodze Mlecznej, posiadamy również wielką “czarną dziurę”, a dowodem na to są zakłócenia grawitacyjne w jej centrum. Pozostaje tylko zastanowić się nad tym, czy kiedyś ona wraz ze swoim horyzontem zdarzeń nie przyda się człowiekowi na to, by przemieszczał się w swoim Wszechświecie lub w innych wszechświatach, jeśli przyjąć za pewnik ich wielość.

Świetliści towarzysze ‘‘czarnych dziur”
Podczas gdy teoretycy badający “czarne dziury” zastanawiają się nad tym, co też kryje się w ich “wnętrzu” i do czego można naprawdę wykorzystać te twory w przyszłych podróżach międzygwiezdnych i międzygalaktycznych, astronomowie – dosłownie – prześcigają się w okrywaniu najjaśniejszych obiektów we Wszechświecie.

Wydawać mogłoby się, że – pozornie – te dwie sprawy nie mają ze sobą nic wspólnego. Zbyt wielkie to jest przeciwieństwo. Ale nic podobnego. Nie chodzi tu o kontrast, lecz zgoła o dwie różne kategorie.

Najjaśniejsze punkty Wszechświata, kwazary, umieszczone na nim bez ładu i składu prawie zawsze w tle wszystkich galaktyk, raz świetliście błyszczące w samych ich centrach, zaś innym razem umieszczane na samych ich obrzeżach, swoim wyglądem przypominają jakieś olbrzymie gwiazdy niż inne twory Uniwersum, z galaktykami na czele.

Bliższe jednak ich obserwowanie wskazało, że kwazary wcale nie są obiektami bliskimi w stosunku do obserwatorów ziemskich. Takimi jak gwiazdy czy galaktyki, lecz akurat najdalszymi.

Kwazary dają na ogół wyraźne punkty światła, a tymczasem galaktyki świecą światłem mdłym, rozmytym. I rzeczywiście, ten paradoks, gdy wreszcie kilkanaście lat temu zmierzono odległość kwazarów w stosunku do naszej galaktyki, a okazała się ona nieprawdopodobnie wielka nawet w latach świetlnych, przestawił sposób myślenia astronomów o tych obiektach.
Żeby móc w ogóle dostrzec kwazary z takich odległości, o jakich tu mówimy, trzeba założyć, iż obiekt ten musi być niezwykle jasny. Każdy kwazar zaobserwowany na niebie wydziela tyle energii co 100 miliardów gwiazd-słońc razem wziąwszy.

Ale żeby mieć wygląd świecącego punktu (i szybko zmieniać natężenie swego światła, co właśnie kwazary czynią), te ciała muszą być bardzo małe, a z pewnością nie większe od Układu Słonecznego. Tylko wtedy będą mogły sprostać zadaniu najdalszego świecącego punktu (“widocznego” dla obserwatorów ziemskich przez radioteleskopy). Nie mogą być olbrzymie, jak zakładano, ale wręcz śmiesznie małe. Wkrótce okazało się, że kwazary to nie tylko obiekty najjaśniej świecące, ale również we Wszechświecie najstarsze – prawdziwi Matuzalemowie kosmosu. To zaś zrodziło pytanie, w jaki sposób aż tyle energii, którą spożytkowuje kwazar, mogło powstać i wydzielać się z tak małego, prawie punktowego miejsca?

Nic nie dzieje się przez przypadek
W tym miejscu spotkały się rozważania czysto teoretyczne z praktycznym sprawdzeniem ich wyników, jednakże wtedy, gdy w grę wchodziły inne, nie brane pod uwagę, czynniki. Wszystko ma swoje uzasadnienie i najbardziej nawet odległe wytłumaczenie, jeśli uzna się, że “projekt” zwany Wszechświatem jest wypadkową celowości i konieczności.

Okazało się, że jedyną odpowiedzią na emitowanie tak wielkich energii przez małe ciała, kwazary, tkwi w... masywnych “czarnych dziurach”. A promieniowanie to nie pochodzi wcale z kwazarów, lecz z innych obiektów materii zgrupowanej wokół nich. Cząsteczki gazów wciągane w “czarną dziurę” nabierają takiego przyspieszenia, że dochodzi ono prawie do szybkości światła. W wyniku tarcia rozgrzewają się, a powstałe tą drogą ciepło, z kolei, powoduje oderwanie się elektronów od cząsteczek gazów. I tak powstaje przewodząca prąd plazma, dając początek rozległym polom magnetycznym.

Gdy owe pola magnetyczne zostaną ściśnięte w wyniku działania sił grawitacyjnych “czarnej dziury” – wyzwala się z nich jeszcze więcej ciepła. W rezultacie tego powstaje intensywnie promieniujący dysk, podobny do opony samochodowej, który jest stopniowo wchłaniany przez czarną dziurę. Zaś procesy zachodzące w dysku przekształcają materię w energię dziesięć razy wydajniej niż reakcje syntezy termojądrowej przebiegające we wnętrzu każdej gwiazdy.

Poprzez wsysanie w siebie materii pochodzącej z gwiazd i międzygalaktycznych skupisk gazów, “czarna dziura” uwalnia więcej energii niż nawet najbardziej olbrzymia gwiazda w ciągu swojego, niedługiego zresztą istnienia (im gwiazda jest większa, tym szybciej spala się).
Jeśli zatem uda się nam “policzyć” kwazary, położone w różnych, aczkolwiek wciąż najdalszych odległościach od Ziemi, dieta tego kosmicznego monstrum złożona zaledwie z kilku gwiazd w ciągu roku potrafi utrzymać “reflektor Wszechświata” w bardzo dobrym stanie “technicznym”, wyrażającym się tym, iż jest najjaśniejszym punktem świetlnym w Uniwersum.

Kwazary mogą również “rozświetlić” jedną z największych zagadek Wszechświata: w jaki sposób galaktyki, rozległe przecież skupiska setek miliardów gwiazd i, ewentualnie, ich systemów planetarnych, trzymają się blisko siebie dzięki siłom grawitacyjnym i przyciągania wzajemnego, i w jaki sposób powstały z miazmy materii, która jednak ucieka od centrum Wielkiego Wybuchu?

Większość widzialnych dziś kwazarów zaczęła świecić po upływie ledwie 3 mld. lat od Wielkiego Wybuchu, czyli – według rozmaitych szacunków astronomicznych – jakieś 7-10 mld. lat temu.

Niedawno, bo zaledwie kilka lat temu, odkryto przy użyciu teleskopu umieszczonego na Palomar Mountain najstarszego i zarazem najjaśniejszego kwazara. Na podstawie widma światła emitowanego przez niego można wnosić, że powstał w chwili, gdy Wszechświat miał zaledwie 6,7% swego obecnego wieku, czyli podczas swego pierwszego miliarda lat. Właśnie dzięki jego promieniowaniu reliktowemu ustalono “wiek” Uniwersum.
Ale nawet ten kwazar nie powie człowiekowi, co naprawdę “uruchomiło” Wszechświat i zdeterminowało jego materialne dzieje.
Ja sądzę osobiście, że uczynił to Stwórca!
Leszek A. Lechowicz