Pomoc od widzów umożliwia powstanie takich programów.
Prosimy, wspieraj swoją stację PBS.
Ze wszystkich obiektów w kosmosie...
planet...
gwiazd...
galaktyk...
żadna nie jest tak obca,
tajemnicza
ani potężna...
jak czarne dziury.
Czarne dziury to najbardziej szokujące obiekty we wszechświecie.
Mogą nawet pochłonąć całą gwiazdę.
Czarne dziury mają potężne dżety, które buchają materią.
Po raz pierwszy odkryto je na papierze, na kopercie...
To było kilka zawijasów długopisem.
...przedziwne rozwiązanie do pozornie nierozwiązywalnego równania...
Matematyczna enigma...
...sam Einstein nie mógł zaakceptować czarnych dziur.
Ludzie przez wiele lat nie wierzyli, że istnieją.
Przyroda tak nie działa.
Jednak powoli, w miarę badań naukowców nad czarnymi dziurami,
...obserwując efekty
na ich otoczenie,
...dowody zaczynają przeważać...
To dowód na istnienie czarnej dziury.
O masie miliony razy większej od Słońca.
Najnowsze wyniki pokazują...
Udało się!
...że czarne dziury istnieją.
Myślałem, że to obłęd.
Powiedziałem: „Cholera”.
Ale czym tak naprawdę są?
Może jeśli jedną odwiedzimy, to się przekonamy?
Czy swoją olbrzymią mocą czarne dziury kształtują jakoś
strukturę wszechświata?
Czy możliwe jest, że bez nich przestaniemy istnieć?
Ciekawe zagadnienia.
„Apokalipsa czarnych dziur”.
Już teraz w NOVA.
We wszechświecie istnieją apokaliptyczne obiekty:
motory zniszczenia,
groźne i tajemnicze.
Czarne dziury.
Nawet naukowcy, którzy się nimi zajmują,
są zaskoczeni.
Czarne dziury mogą wprawić w osłupienie.
Dziwię się, że one naprawdę istnieją.
Czarne dziury zaprzeczają naszemu pojęciu o naturze.
Czarne dziury to największa tajemnica wszechświata.
Są zupełnie niewidoczne,
ale niewyobrażalnie potężne.
Mogą rozerwać gwiazdę na strzępy.
Czarne dziury pochłoną wszystko, co stanie im na drodze.
Naprawdę lepiej ich unikać za wszelką cenę.
Czarne dziury nawet spowalniają czas.
Kiedyś trudno było je sobie wyobrazić.
Czarne dziury burzą nasze rozumienie fizyki.
Jednak mogą odgrywać istotną rolę
we wszechświecie, który znamy.
Być może są nawet najważniejsze.
Czym są te dziwne, potężne obiekty...
tak szokujące i zaskakujące?
Gdzie są i jak panują nad wszechświatem?
Zaczynamy poszukiwania czarnych dziur.
To będzie szalona podróż przez kosmos,
do miejsc, gdzie wszystko, co znane, może zostać zakwestionowane.
Przestrzeń i czas, a nawet rzeczywistość, są dziwniejsze niż fikcja.
Zaczynamy naszą podróż w wyjątkowym miejscu:
w odległym zakątku stanu Waszyngton,
gdzie po raz pierwszy
radykalny, nowy eksperyment dowiódł istnienia czarnych dziur.
LIGO OBSERWATORIUM W HANFORD
Ponad 50 lat temu
kilku naukowców z wizją
wyobraziło sobie nieistniejącą technologię.
Szukali czegoś, czego istnienie nie zostało potwierdzone.
Eksperyment był śmiały i ryzykowny.
Porażka mogła naznaczyć ich życie na zawsze.
Ale nie ponieśli porażki.
Właśnie w tych obiektach
dokonali wybitnego odkrycia.
Rankiem 14 września 2015 roku
nagrali wiadomość.
Wyglądała i brzmiała tak.
Zaledwie świergot.
Ale ten świergot jest legendarny, monumentalny.
Sygnał przebył ponad miliard lat świetlnych, żeby do nas dotrzeć.
Wyruszył z bardzo daleka.
I mówi nam,
że gdzieś w kosmosie, miliard lat temu,
dwie wielkie czarne dziury krążyły wokół siebie.
Zbliżały się do siebie,
wirowały coraz szybciej,
aż w końcu doszło do zderzenia.
Czarne dziury tworzą fale, które rozchodzą się na zewnątrz,
jak wibracje na bębnie.
Tworzą okręgi w materii przestrzeni.
Zderzenie powoduje olbrzymi wybuch
o energii 50 razy większej niż ta całego widocznego wszechświata.
Wysyła falę nie ciepła, światła czy dźwięku,
ale grawitacji.
Fala grawitacyjna przemieszcza się we wszechświecie
z prędkością światła.
Pędząca fala mija gwiazdy.
Na młodej Ziemi tworzą się superkontynenty.
Pojawiły się mikroskopijne organizmy.
Fala przelatuje przez kolejne galaktyki.
Dinozaury wędrują po Ziemi.
Fala nadal się porusza.
Przenika chmury pyłu.
A potem dociera do Drogi Mlecznej.
Zaczyna się epoka lodowcowa.
Jesteśmy troglodytami malującymi w jaskiniach.
Fala dosięga pobliskich gwiazd.
Albert Einstein jest w szóstej klasie.
Fala dociera do Alfy Centauri.
O północy 13 września 2015 roku
jest w odległości Saturna.
W końcu, miliard lat po zderzeniu czarnych dziur,
fala dociera do nas.
Odnotowują ją dwa rewolucyjne obserwatoria,
w których przeprowadzono eksperyment.
To jest LIGO,
Obserwatorium Fal Grawitacyjnych.
Po 50 latach eksperyment w końcu okazał się trafiony,
oferując nam nowe narzędzia do badania wszechświata.
Przez 400 lat prawie wszystko, co obserwowaliśmy w kosmosie,
docierało do nas w formie energii elektromagnetycznej.
Ten świergot to coś innego.
We wrześniu 2015 roku do Ziemi
dotarła fala grawitacyjna,
ściskająca i rozpierająca strukturę samej przestrzeni.
Nie generuje światła,
żaden teleskop nie zobaczyłby zderzenia.
Do wykrycia tego potrzebne było zupełnie nowe obserwatorium.
Ta fala to nowy i bezpośredni dowód
na istnienie jednej z najdziwniejszych tajemnic wszechświata:
czarnych dziur.
Wielu z nas słyszało o czarnych dziurach.
Są niewidoczne i potężne.
Mają masę miliard razy większą niż Słońce.
Przedziwne.
To byty fizyczne
o nieskończonej gęstości.
Bez początku, bez końca.
Przyciągają obiekty.
Zakrzywiają światło.
W ich pobliżu czas się zmienia.
Tak potężna grawitacja spowalnia
tykanie zegara.
Czas będzie tak powoli płynąć,
że zobaczysz całą przyszłość wszechświata
rozgrywającą się przed twoimi oczyma.
Jeśli wpadniesz do środka czarnej dziury, rozciągnie cię jak makaron.
Wyciśnie cię z przestrzeni i czasu
jak pastę do zębów z tubki.
Dziś o czarnych dziurach wiemy więcej niż kiedykolwiek.
Ale im więcej wiemy, tym bardziej są tajemnicze.
To najbardziej niezwykłe obiekty we wszechświecie.
Nie potrafimy ich opisać.
Nieważne, jak dobrze je rozumiemy,
w jakiś sposób pozostają nieosiągalne.
PRZECIĄŻENIE SYSTEMU
A teraz człowiek wejdzie w czarną dziurę!
CZARNA DZIURA
Czarne dziury mają dość srogą reputację.
W filmach sci-fi często pełnią funkcję czegoś złego.
Czym są w rzeczywistości?
Skąd się biorą?
Być może myślisz, że czarna dziura
to przedmiot.
Ale tak nie jest.
To dziura w strukturze przestrzeni.
Miejsce, gdzie nie ma nic, poza grawitacją
o potężnej i przytłaczającej sile.
Jeśli czarne dziury to tylko grawitacja
o niesamowicie potężnej sile,
to czym zatem jest owa grawitacja?
KAWIARNIA GRAWITACJA
OTWARTE
Znamy grawitację.
Tak, jest piątek.
Rządzi naszym życiem.
Chociaż wiemy o niej od dawna,
to działanie grawitacji
było jedną z największych tajemnic.
Ponad 300 lat temu
Isaac Newton zainteresował się ruchem obiektów.
W końcu opracował swoje zasady dynamiki.
Sprawdzają się tak dobrze, że do dziś z nich korzystamy.
Start, o 9.34 mamy start.
Ale zasady Newtona opisują jedynie skutki grawitacji,
nie wyjaśniają, czym jest.
I tu wchodzi Albert Einstein.
Podobnie jak Newton interesował się obiektami w ruchu.
Zastanawiał się, czym jest grawitacja.
Czy to siła?
Czy coś innego?
Oto co ciekawiło Einsteina.
Weźmy to jabłko.
Nie mogę nim poruszyć bez dotykania go.
Ale jeśli je upuszczę,
porusza się w kierunku Ziemi.
A co jeśli zabiorę rękę,
podłogę, piwnicę i podłogę niżej?
Co wtedy?
Jabłko nadal spada.
Einstein wiedział, że grawitacja
ma coś wspólnego ze spadaniem.
Jeśli rzucę jabłkiem,
jego tor spadania będzie zakrzywiony.
A gdyby tak wprawić jabłko w znacznie szybszy ruch?
Gdyby jabłko poruszało się bardzo szybko,
powiedzmy 27 000 kilometrów na godzinę,
jego zagięty tor ruchu przybierze kształt krzywizny Ziemi.
Jabłko będzie opadać swobodnie na orbicie,
tak jak Międzynarodowa Stacja Kosmiczna
z astronautami w środku.
Według Einsteina,
jabłko, stacja kosmiczna, astronauci
i wszystko inne spada swobodnie wzdłuż zagiętego toru w kosmosie.
A dlaczego jest on zagięty?
Ze względu na masę Ziemi.
Einstein przedstawił niezwykle prostą koncepcję,
że przestrzeń i czas są zaginane przez Ziemię,
Słońce i wszystkie przedmioty na świecie.
Więc według Einsteina
masa każdego przedmiotu
zagina przestrzeń wokół niego.
To koncepcja Einsteina.
Nie ma już sił.
Są tylko obiekty zaginające czasoprzestrzeń
i inne obiekty, wpadające w nią w linii prostej.
Wszystkie obiekty poruszają się w przestrzeni po krzywych.
Więc jak Ziemia porusza jabłkiem, nie dotykając go?
Ziemia zagina przestrzeń,
a jabłko spada swobodnie wzdłuż tych krzywych.
Według ogólnej teorii względności Einsteina
grawitacja jest zakrzywioną przestrzenią.
I takie pojmowanie grawitacji,
że obiekt może zakrzywiać przestrzeń wokół siebie,
prowadzi bezpośrednio do czarnych dziur.
Ale to nie Albert Einstein jako pierwszy połączył
grawitację i czarne dziury.
Zrobił to inny naukowiec.
Karl Schwarzschild, niemiecki astronom,
był kierownikiem obserwatorium
w Poczdamie, w Niemczech.
Już jako nastolatek obliczał
skomplikowane cechy orbit planetarnych.
Gdy w 1915 roku Einstein ogłosił swoją teorię grawitacji,
Karl Schwarzschild był w niemieckiej armii
i obliczał trajektorie pocisków w czasie pierwszej wojny światowej.
Zaledwie kilka tygodni po tym, jak Einstein opublikował swoją pracę,
Schwarzschild, przebywający wówczas na rosyjskim froncie,
szybko zdobył jej kopię
i wyznaczył pole grawitacyjne wokół gwiazdy.
Einstein doszedł do swojej teorii przez serię przybliżeń.
A Schwarzschild...
siedząc na froncie, gdy nad głową latały mu pociski,
obliczył dokładne rozwiązanie teorii względności
i wysłał je Einsteinowi.
Einstein był zdumiony.
Nie sądził nawet, że te równania można rozwiązać.
Ale Schwarzschild jeszcze nie skończył.
W swoim rozwiązaniu równań Einsteina
odkrył coś, czego nie przewidział nawet sam Einstein.
Schwarzschild powiedział, że potrafi obliczyć tę dziwną odległość
od grawitującego obiektu,
która stanowi rodzaj granicy.
Schwarzschild matematycznie skoncentrował masę,
na przykładzie gwiazdy,
w pojedynczy punkt.
Potem obliczył, jak masa zakrzywi przestrzeń
i promienie światła w pobliżu.
Gdy, w swoich obliczeniach,
kierował cząstki światła i materii w stronę tego punktu,
napotykał granicę otaczającą punkt,
na której cząstki po prostu się zatrzymywały.
Cząstki znikały.
Czas się zatrzymywał.
Schwarzschild odkrył,
że koncentracja masy spowoduje zakrzywienie przestrzeni
do takiego ekstremum, że stworzy się miejsce bez powrotu.
Cokolwiek tam dotrze, zostanie uwięzione,
nie będzie mogło uciec. Nawet światło.
Podobnie jest z tanimi motelami.
Można się zameldować, ale nie wymeldować.
Po przekroczeniu granicy,
nawet jeśli da się iść dalej,
to nie można nic zrobić, by wrócić,
ani przekazać sygnału.
Powstaje dziwna, odseparowana czasoprzestrzeń.
Karl Schwarzschild odkrył,
że każda masa, skupiona w odpowiednio małej przestrzeni,
tworzy coś, co nazywamy dziś czarną dziurę.
Ale Albert Einstein,
którego ogólna teoria względności przewidywała to,
nie wierzył, że mogłoby to zaistnieć w rzeczywistości.
Einstein nie sądził,
że przyroda tak działa.
Nie podobał mu się taki pomysł.
Karl Schwarzschild zachorował
i zmarł, zanim zdążył dogłębniej sprawdzić swoje odkrycie.
NIEMCY SIĘ PODDAJĄ
Dwa i pół roku później, w listopadzie 1918 roku,
kończy się pierwsza wojna światowa.
Wydaje się, że teoretyczna sfera odkryta przez Karla Schwarzschilda
została zapomniana.
Stała się jedynie ciekawostką.
Ale w nadchodzących dekadach
fizycy dowiedzieli się więcej o atomie,
o tym, że fuzja jądrowa napędza gwiazdy,
co nazwaliśmy reakcją termojądrową.
Niektórzy zaczęli zastanawiać się, czy czarna dziura
nie mogłaby pochodzić z gwiazdy.
Ale nie z dowolnej, tylko z bardzo dużej.
Gwiazdy powstają w skupiskach
i mają różne rozmiary i masy.
Pojawiają się tysiące małych gwiazd
i kilka bardzo dużych,
niesamowicie ciężkich.
Gwiazdy na wiele sposobów są podobne do istot żywych.
Jak ludzie mają cykl życia.
Podczas badań nad cyklem życia gwiazd w latach 30. dwóch wizjonerów,
Subrahmanyan Chandrasekhar i Robert Oppenheimer,
odkryło, że największe gwiazdy
kończą swoje życie inaczej niż małe.
TEORIA MASYWNYCH RDZENI GWIAZD NEUTRONOWYCH
UNIWERSYTET HARVARDA
Cykl życia gwiazdy zależy od jej masy.
Od masy gwiazdy zależy,
co się wydarzy po tym, jak spali swoje paliwo wodorowe.
Wszystkie gwiazdy początkowo spalają wodór, najlżejszy pierwiastek.
Wskutek fuzji atomy wodoru zmieniają się w hel,
a następnie w coraz cięższe pierwiastki.
Grawitacja zmiażdżyłaby całą masę gwiazdy,
ale olbrzymia energia uwalniana w trakcie fuzji jest wypychana,
zapobiegając zapadnięciu się gwiazdy.
Gwiazdy są stabilne, bo rozpierające je ciśnienie
powstałe wskutek fuzji jądrowej
równoważy się ze zwróconą do środka siłą grawitacji.
W mniejszych gwiazdach nie zachodzi fuzja pierwiastków cięższych niż hel,
ale w największych gwiazdach
wskutek fuzji powstają coraz cięższe pierwiastki,
aż do żelaza.
Żelazo to ciężki pierwiastek, ma w sobie tyle protonów,
że gdy już powstanie wskutek fuzji,
nie pozostaje ani trochę energii.
Dla gwiazdy żelazo oznacza koniec.
Gdy wskutek fuzji tworzą się atomy cięższe od żelaza,
wydziela się za mało energii, by gwiazda przetrwała.
A gdy fuzja dostarcza za mało energii,
by utrzymać w gwieździe ciśnienie,
siła grawitacji przeważa.
I wygrywa.
I cała gwiazda się kurczy.
Biliony ton materii gwałtownie się zapadają,
uderzają w gęsty rdzeń i odbijają się,
odrzucając zewnętrzne warstwy gwiazdy podczas ogromnego wybuchu...
supernowej.
Im większa masa, tym większa grawitacja.
Jeśli pozostały rdzeń ma wystarczająco dużą masę,
grawitacja staje się niepowstrzymana.
Nie znamy siły,
która zapobiegłaby zapadnięciu się do nieskończenie małego punktu.
Grawitacja miażdży rdzeń gwiazdy,
który staje się coraz mniejszy,
aż jego masa zostaje skupiona w nieskończenie małym punkcie:
czarnej dziurze.
Ta teoria jest logiczna,
ale większość fizyków ma sceptyczne podejście do czarnych dziur.
Einstein i Eddington, wszyscy ci
wybitni astrofizycy z lat 1930-50,
nie wierzyli, że istnieją.
Pozostawały jedynie matematycznym rozwiązaniem i zagadką
przez dziesięciolecia.
Dużo czasu minęło, zanim ludzie zaczęli ich szukać.
Dopiero w latach 60.
teorię o supernowych tworzących czarne dziury zaczęto traktować poważnie.
Fizyk z Princeton, John Wheeler, który początkowo był sceptykiem,
zaczął używać historycznej nazwy dla tych niewidocznych obiektów:
czarna dziura.
Termin ten pochodzi z Indii.
Znane więzienie w Kalkucie nazywano Czarną Dziurą.
...OSADZONY W CZARNEJ DZIURZE
Nadal jednak nikt nie wykrył żadnych śladów czarnej dziury.
Potem, w 1967 roku, doktorantka Jocelyn Bell
odkryła dziwną malutką martwą gwiazdę,
która emitowała bardzo mało światła.
Gwiazdę neutronową.
Jako zimna pozostałość po zapadniętej gwieździe,
gwiazda neutronowa daje astronomom większą pewność,
że czarne dziury, dużo większe martwe gwiazdy,
również mogą istnieć.
Pół wieku po tym, jak Karl Schwarzschild matematycznie wykazał,
że teoretycznie czarne dziury mogą istnieć,
naukowcy odkryli naturalny proces,
w którym mogą one powstawać: śmierć dużej gwiazdy.
Zatem wskutek supernowych, wielkich wybuchów bardzo ciężkich gwiazd,
tworzą się czarne dziury.
Każda gwiazda o masie
dziesięciu Słońc lub większej
skończy jako czarna dziura.
W naszej galaktyce roi się od małych czarnych dziur,
pozostałości po wielu pokoleniach gwiazd,
które się narodziły i umarły.
Jakie są cechy tych niewidocznych zwłok gwiazd?
Wyobraźcie sobie, że badam kosmos,
używając zaawansowanej techniki do podróży międzygwiezdnych,
żebyśmy mogli odwiedzić czarną dziurę.
Może którąś w pobliżu naszej galaktyki.
Ta czarna dziura nie jest zbyt duża.
Jej masa odpowiada masie dziesięciu Słońc.
Waży dziesięć razy więcej niż Słońce.
Jak każda czarna dziura, ta też ma horyzont zdarzeń,
wyraźną krawędź ciemności.
Tę granicę pierwszy odkrył Karl Schwarzschild.
Grawitacja jest tam tak silna, że nic stamtąd nie ucieknie,
nawet światło.
I tam właśnie zmierzamy.
Gdy się zbliżamy, zaczynają się dziać dziwne rzeczy.
Spójrzcie na krawędź czarnej dziury.
Widzicie, jak obraz odległych gwiazd jest zniekształcony i ułożony w krąg?
To soczewkowanie grawitacyjne.
Ekstremalna grawitacja czarnej dziury zagina promienie światła,
a pojedynczy punkt światła, na przykład gwiazda,
na krótko pojawia się jako pierścień wokół horyzontu zdarzeń.
Jestem teraz głęboko w studni grawitacyjnej czarnej dziury
i zaczniemy odczuwać jej efekty.
Ekstremalna grawitacja spowalnia czas
w stosunku do tego na Ziemi.
Z ich punktu widzenia
to ja zwalniam.
Ale z mojego punktu widzenia to czas na Ziemi przyśpiesza.
Załóżmy, że chcę znaleźć się jeszcze bliżej.
Wyjdę na spacer kosmiczny.
Spowalnianie czasu przez czarną dziurę
stanie się jeszcze bardziej widoczne.
By śledzić zmiany, których doświadczę,
włączę światło stroboskopowe.
Będzie migać co sekundę.
Z tego miejsca widzę cień horyzontu zdarzeń, który się zbliża,
i moja lampka miga normalnie.
Ale dla obserwatora ze statku
im bliżej jestem czarnej dziury,
tym wolniej się poruszam.
Odstępy między rozbłyskami światła stają się niemal nieskończone.
Wygląda to tak, jakbym zastygła w czasie.
Dla mnie wszystko wygląda normalnie.
Nawet jeśli dotrę do horyzontu zdarzeń.
Może gdyby poczekać odpowiednio długo,
miliony lub miliardy lat,
na statku w końcu by dostrzeżono, że znikam.
I tyle byście mnie widzieli.
Co jest w czarnej dziurze?
To pozostaje zagadką.
I nawet jeśli się dowiem, nie wrócę, by wam powiedzieć.
Ale jedno jest pewne: czarne dziury są ciemne z zewnątrz,
ale w środku mogą być jasne.
Widzę światło galaktyki, które wpadło razem ze mną.
I to ostatnie, co w życiu zobaczę.
Niestety zabawa się kończy.
Po przekroczeniu horyzontu zdarzeń
lecę w kierunku środka,
gdzie skupia się cała masa czarnej dziury.
I zaczynam być rozciągana.
Gdy spadam, siła grawitacji działająca na stopy jest większa
niż ta, która oddziałuje na głowę
i moje ciało ulega rozciągnięciu.
Szybko stanie się tak długie i cienkie jak makaron spaghetti.
A skończę
całkowicie rozczłonkowana na cząstki pierwsze,
które zostaną zmiażdżone, stając się maleńkim punktem.
Osobliwością,
gdzie wszystko, co wiemy o czasie i przestrzeni, przestaje obowiązywać.
A może czarna dziura,
która z zewnątrz ma jakieś 60 kilometrów średnicy,
w środku jest duża jak wszechświat?
Gdy już przejdę,
moje cząstki trafią do pierwotnej zupy nowego początku.
Tego możemy spodziewać się w teorii,
jeśli polecimy do czarnej dziury.
Ale czy możemy być pewni?
Jak zbadać coś, czego nie widać?
STADION YANKEE
Są sposoby na to, by zbadać coś,
co się gdzieś dzieje,
nawet jeśli tego nie widać.
Weźmy stadion Yankee.
Co tam się dzieje?
Czy trwa mecz?
Nie widzę boiska.
Nie widzę graczy, piłek ani kijów.
Ale z pewnością mogę zauważyć, czy coś się dzieje wokół stadionu.
METRO
To oczywiste, że coś się dzieje.
Niby to oczywiste, ale cokolwiek to jest,
dowiem się o tym sporo, obserwując wydarzenia wokół stadionu.
To mi wygląda na fanów baseballu.
I tak badamy czarne dziury:
obserwując ich wpływ na otoczenie.
Ale jaki wpływ?
Jak czarna dziura może się ujawnić?
Rozpoczęte tuż przed drugą wojną światową
dwa znaczące odkrycia radykalnie zmienią astronomię.
IMPULS RADIOWY Z CENTRUM DROGI MLECZNEJ
W 1931 roku inżynier z Bell Labs, Karl Jansky,
odebrał tajemnicze fale radiowe z głębokiego kosmosu.
Potem niebo zrobiło się dziwniejsze,
gdy naukowcy zainstalowali licznik Geigera na niemieckiej rakiecie
i odkryli, że w kosmosie jest mnóstwo promieni rentgenowskich.
Te odkrycia zapewniły naukowcom ważne nowe narzędzia,
które zrewolucjonizują poszukiwania czarnych dziur
i znacznie poszerzą nasze pole widzenia.
Nasze oczy dostrzegają
tylko wąski wycinek widma elektromagnetycznego.
Gdyby je rozłożyć na Moście Brooklińskim,
część, którą widzimy, miałaby kilka metrów szerokości.
Promieniowanie elektromagnetyczne
zawiera fale o różnych częstotliwościach:
fale radiowe, mikrofale, podczerwień i ultrafiolet,
promienie rentgenowskie i promienie gamma.
Astronomia radiowa i rentgenowska otworzyła niebo,
ukazując nam niewyraźne lub nawet niewidoczne obiekty,
wytwarzające potężną energię, o której istnieniu nikt nie wiedział.
Zaczęto zdawać sobie sprawę, że ten spokój, który widzimy,
ta cisza, która wygląda, jakby nic się tam nie działo
i że poruszają się tylko planety,
są szaleństwem.
Tam panuje chaos!
Promienie rentgenowskie pochodzą z fragmentu spektrum o dużej energii.
Co tworzy tę energię?
Jedno jest pewne: cokolwiek jest jej źródłem,
jest niewidoczne dla zwykłego teleskopu.
I jest gorące.
Źródło promieni X to coś,
co ma temperaturę milionów stopni.
INSTYTUT ASTRONOMII, CAMBRIDGE
Nawet dziesiątek milionów.
Jedno z pierwszych źródeł tych promieni, które przykuło uwagę astronomów,
nazywa się Cygnus X-1.
Cygnus, bo z konstelacji Łabędzia,
X, bo to nazwa promieni, i jeden, bo znaleziony jako pierwszy.
W 1970 roku Paul Murdin, młody angielski astronom,
chciał sobie zapewnić kolejną pracę.
Byłem badaczem,
kończył mi się trzyletni kontrakt.
Myślałem, co mógłbym wnieść do badań nad istotą tych obiektów.
Murdin pracował w XV-wiecznym zamku,
otoczony teleskopami,
w Królewskim Obserwatorium.
Korzystając z największego teleskopu w Anglii,
zaczął przeszukiwać gwiazdozbiór Łabędzia.
Zdecydował się szukać par gwiazd.
Nazywane są one układami podwójnymi.
Nazwa brzmi egzotycznie, ale nie są takie rzadkie.
Wiele gwiazd, które widzimy, pewnie jakaś połowa z nich,
to właśnie układy podwójne.
Pary orbitujących gwiazd, połączone ze sobą przez grawitację.
Murdin zastanawiał się, czy istnieją układy podwójne,
w których tylko jedna gwiazda jest widoczna.
Pomyślałem, że to może być układ gwiazd,
w którym jest jedna gwiazda świecąca
i druga w pobliżu, emitująca promienie rentgenowskie.
Układ podwójny można poznać po tym, że obie gwiazdy krążą wokół siebie.
Murdin zaczął więc szukać widocznych gwiazd,
które się poruszają.
Czasami się zbliżają, czasem oddalają.
Czasami są bliżej, czasem dalej.
Gdy gwiazda się zbliża, wydaje się bardziej niebieska,
bo długość fali światła staje się krótsza.
Gdy się oddala, jest bardziej czerwona,
bo długość fali światła wydłuża się.
Zjawisko to jest znane jako efekt Dopplera.
Wypatrując zmian koloru
setek gwiazd w gwiazdozbiorze Łabędzia,
Murdin zauważył prawdopodobną podejrzaną.
Była to gwiazda, której światło zmieniało kolor, gdy się poruszała.
Było wyraźnie widać, że to układ podwójny, podwójna gwiazda.
Gwiazda obracała się z częstotliwością
pięciu i sześciu dziesiątych dnia.
Cokolwiek się tam działo, pozostawało jednak niewidoczne.
W widmie nie było śladu drugiej gwiazdy.
Była tylko jedna. Nie było drugiej.
Murdin znalazł układ podwójny, w którym tylko jedna gwiazda była widoczna.
Druga emitowała promienie rentgenowskie,
jej masa i grawitacja pozwalały silnie oddziaływać na gwiazdę,
ale nie świeciła.
Czy były to szczątki gwiazdy tak dużej, że stała się czarną dziurą?
By zdecydować, czy Cygnus X-1 jest czarną dziurą, przede wszystkim
trzeba było zmierzyć masę obiektu emitującego promienie X.
Musiałby mieć ogromną masę,
odpowiadającą masie co najmniej trzech Słońc.
W innym wypadku była to zapewne tylko gwiazda neutronowa.
Zapadnięta gwiazda, gęsta, ale zbyt lekka, by być czarną dziurą.
Obserwatorzy musieliby dojść do wniosku,
że masa ciemnego obiektu emitującego promienie X w układzie Cygnus X-1,
jest znacznie większa
niż masa trzech Słońc.
Na podstawie obserwacji Murdin zdołał oszacować
masę niewidocznego partnera.
I uzyskałem wynik.
Sześciokrotność masy Słońca.
Wtedy okazało się, że Cygnus X-1 jest czarną dziurą.
Najważniejszym argumentem było to,
że masa gwiazdy, której nie widać,
przewyższała trzykrotność masy Słońca.
Gdy skończyłem to pisać, usiadłem i pomyślałem,
że to czarna dziura.
Byłby to pierwszy przypadek wykrycia czarnej dziury.
To byłoby coś wielkiego i Murdin musiał przekonać sceptyków,
ze swoim szefem na czele.
Królewski astronom, sir Richard Woolley,
nie był zainteresowany czarnymi dziurami.
Sądził, że to bzdury.
O czymś takim można było sobie rozmawiać w Kalifornii.
Tam jest wielu zabawnych ludzi.
Wielu hippisów.
I teoretyków, takich jak Kip Thorne.
Denerwowało mnie to.
Obawiałem się skali odkrycia.
I wszyscy wokół mnie też.
Pracowałem z koleżanką, naukowcem Louise Webster.
Swoje twierdzenie przedstawialiśmy dość nieśmiało,
bo wiedzieliśmy, co ludzie pomyślą.
Jeśli się przeczyta nasze opublikowane prace,
fraza „czarna dziura” pojawia się tylko raz. Na samym końcu.
TO MOŻE BYĆ CZARNA DZIURA
„Uważamy, że to może być czarna dziura”.
Praca Paula Murdina i Louise Webster pojawia się we wrześniu 1971 roku.
Inni astronomowie się zgadzają: to może być czarna dziura.
DRUGI OBIEKT MOŻE BYĆ CZARNĄ DZIURĄ
Ale nikt nie ma pewności.
Trzy lata później
Kip Thorne i uznany brytyjski fizyk Stephen Hawking
robią słynny dziś zakład dotyczący Cygnusa X-1.
Założyliśmy się, czy Cygnus X-1 jest rzeczywiście czarną dziurą.
Ten zakład to raczej żart.
Obaj mają nadzieję, że to czarna dziura.
Ale Hawking, nie chcąc zapeszyć, zakłada się wbrew swemu przekonaniu.
CYGNUS X-1 NIE MA CZARNEJ DZIURY
Stephen twierdził, że Cygnus X-1 nie jest czarną dziurą.
A ja twierdziłem, że jest.
Podpisaliśmy ten zakład w grudniu 1974 roku.
I stopniowo przekonanie, że to czarna dziura,
stawało się coraz mocniejsze.
W czerwcu 1990 roku Stephen włamał się do mojego biura
i odcisnął kciuk na tym zakładzie,
przyznając, że go wygrałem.
Wróciłem z Rosji i odkryłem, co zrobił.
W roku 1990 dowody na masę Cygnusa X-1
były na tyle mocne, by rozstrzygnąć zakład dwóch przyjaciół,
ale początkowe szacunki były zbyt niedokładne, by je uznać za ostateczne.
By obliczyć masę,
Paul Murdin musiał wykorzystać przybliżone wyliczenia
odległości do Cygnusa X-1,
które różniły się dziesięciokrotnie.
Odpowiedź zostanie udzielona dopiero po 20 latach,
gdy astronom Mark Reid zainteresuje się tą zagadką.
Reid jest astronomem
w Centrum Astrofizyki na Harvard-Smithsonian.
Postanawia ostatecznie udowodnić,
że Cygnus X-1 jest czarną dziurą,
wykonując dokładne pomiary masy.
Ale jak zmierzyć masę niewidocznego obiektu?
Korzystając z opracowanych w XVII w. praw niemieckiego astronoma Johannesa Keplera,
można obliczyć masę ciała niebieskiego,
ale tylko jeśli zna się jego odległość.
W astronomii odległość to podstawa.
Nie znasz odległości? Nie wiesz, co to za obiekt.
To może być jakiś mało odległy świetlik.
Albo odległa, olbrzymia gwiazda, znacznie większa od Słońca.
By uzyskać dokładną masę Cygnusa X-1
i potwierdzić, że jest czarną dziurą,
Reid musiał wiedzieć, jak daleko się znajduje.
Ale jak zmierzyć odległość do gwiazdy?
Sekret tkwi w znanym zjawisku, paralaksie.
Oczy i mózg wykorzystują je, abyśmy widzieli w trzech wymiarach.
Wyciągnij palec na długość ręki,
spójrz na niego i zamknij oko.
Zamykam lewe oko.
Patrzę na mój palec,
na tle tamtej ściany.
Otwieram oko, zamykam prawe,
i wydaje mi się, że mój palec się poruszył
względem pierwotnego położenia.
To dlatego, że nasze oczy są rozstawione
i każde patrzy z innego punktu widzenia.
By wykorzystać zjawisko paralaksy do pomiaru odległości obiektu na niebie,
dzięki ruchowi Ziemi astronomowie będą mogli
wytypować dwa różne punkty obserwacyjne.
Wyobraźmy sobie, że Cygnus X-1 jest tu,
a Ziemia i Słońce są tam.
Okres obiegu Słońca przez Ziemię wynosi rok.
Wiosną Ziemia jest po jednej stronie Słońca
i obserwujemy Cygnusa X-1 wzdłuż takiej ścieżki promieni.
Sześć miesięcy później Ziemia przechodzi
na drugą stronę Słońca.
Mamy inny punkt widzenia Cygnusa X-1.
Mamy teraz trójkąt między Ziemią w jej dwóch położeniach
i Cygnusem X-1.
Znamy podstawę trójkąta,
średnicę orbity Ziemi,
a zgodnie z zasadami geometrii,
aby obliczyć odległość,
musimy tylko znać kąt wierzchołka.
Mierzymy ten niewielki kąt,
w punkcie na Cygnusie X-1.
Dzięki prostej geometrii
obliczamy odległość, która nas dzieli od Cygnusa X-1.
Stąd dokładnie wyliczamy masę.
Zamysł jest prosty,
ale Cygnus X-1 jest tak daleko,
że kąt, który trzeba zmierzyć, jest niezwykle mały.
To niewielki ułamek stopnia.
Mniejszy niż kąt tworzony przez nos Abrahama Lincolna
na jednocentówce w San Francisco widzianej z Nowego Jorku.
Ponieważ ten kąt jest tak mały,
nie można go zmierzyć żadnym teleskopem.
Ale zespół Reida ma rozwiązanie.
Bierzemy dziesięć radioteleskopów,
które są rozmieszczone we wszystkich stanach kontynentalnych,
na Hawajach i na St. Croix na Wyspach Dziewiczych.
Korzystamy z nich jednocześnie
i poprzez komputerową syntezę
uzyskujemy wirtualny teleskop, który ma średnicę Ziemi.
To daje niezwykłą rozdzielczość kątową.
Dzięki tej technice zespół Reida określa,
że Cygnus X-1 jest oddalony o 6000 lat świetlnych.
Mając tę nową odległość, 6000 lat świetlnych,
ustaliliśmy, że masa wynosi około 15 mas Słońca.
Czyli czarna dziura.
Czterdzieści lat po tym, jak określono, że jest taka możliwość,
Cygnus X-1 został uznany
za pierwszą potwierdzoną czarną dziurę.
To była niedoceniana praca,
a to, że było na niej nazwisko moje i Louise Webster,
przyniosło nam sporo korzyści w karierze.
Chyba w wyniku tego odkrycia dostałem propozycję stałej pracy.
To było wielkie święto w rodzinie.
Dla mnie skończyło się to bardzo dobrze.
Miałem też intelektualną satysfakcję
z rozwiązania problemu.
Nareszcie, po latach spekulacji,
mamy prawdziwą czarną dziurę.
I nie tylko. To czarna dziura, która generuje promienie rentgenowskie
i ma gwiazdę towarzyszącą.
Gdybyśmy się tam wybrali moim wymyślonym statkiem,
co byśmy zobaczyli?
Ustalono, że Cygnus X-1
znajduje się 6000 lat świetlnych od Ziemi.
Jego masa wynosi 15 mas Słońca. Jest 15 razy cięższy niż Słońce.
Cygnus X-1 jest otoczony przez dysk akrecyjny.
To chmura gazów i pyłu w kształcie dysku poza horyzontem zdarzeń,
miejscem, z którego nie ma powrotu.
Gdy grawitacja przyciąga materię w stronę czarnej dziury,
chmura zaczyna wirować,
jak woda wpadająca do odpływu.
W środku dysku akrecyjnego
cząstki znajdujące się najbliżej czarnej dziury wirują
z prędkością połowy prędkości światła.
To jak olbrzymi akcelerator cząstek w kosmosie.
Ale dlaczego emituje promienie rentgenowskie?
Rozpędzone cząstki zderzają się,
rozgrzewając się do temperatury milionów stopni.
Gdy stają się tak gorące, emitują promienie rentgenowskie.
I to właśnie te promienie skłoniły astronoma Paula Murdina
do zbadania tej czarnej dziury prawie 50 lat temu.
To nie wszystko, co wyróżnia Cygnusa.
Ma on gwiazdę towarzyszącą.
Czas obiegu tego błękitnego nadolbrzyma
wokół czarnej dziury wynosi pięć i sześć dziesiątych dnia.
Orbituje tak blisko Cygnusa X-1,
że czarna dziura zdziera budulec gwiazdy
i wciąga go w dysk akrecyjny.
Część tego materiału przekroczy horyzont zdarzeń
i zostanie wchłonięta, ale nie całość.
Część wraca,
zanim wpadnie w czarną dziurę.
Jak z jedzeniem niemowlaka: część ląduje na podłodze...
UNIWERSYTET ARIZONY
...część na suficie, część w jego ustach.
Jedną z najbardziej uderzających i zagadkowych cech Cygnusa X-1
są jego olbrzymie dżety.
Te strumienie cząstek i promieniowania są wyrzucane na zewnątrz
z biegunów Cygnusa
prostopadle do dysku akrecyjnego.
Wciąż niewiele wiemy o dżetach,
ale są mocno skupione i niezwykle potężne.
Wystrzeliwują niemal z prędkością światła
i rozciągają się poza gwiazdozbiór Łabędzia.
Gdy gaz się rozgrzewa i zostaje wyemitowane światło,
pojawia się też słabe pole magnetyczne,
które wytwarza się wokół nich.
Nie wiemy dokładnie jak,
ale takie pola magnetyczne
pomagają ustawić równolegle ogromne strumienie wyrzucane z czarnych dziur.
Są jak potężne węże, które wypluwają materię.
Taki jest Cygnus X-1, gdyby go obejrzeć z bliska.
Pożerająca materię czarna dziura z potężnymi dżetami,
wypluwającymi w kosmos cząsteczki.
Przypominają oddychające,
ziejące ogniem demony.
Migoczą, wybuchają,
są bardzo gwałtownymi, aktywnymi kulami ognia.
To, co kiedyś było matematyczną ciekawostką,
okazało się rzeczywistością.
Po latach sceptycyzmu
naukowcy uznali, że wypalone pozostałości
dużych gwiazd mogą więzić w sobie światło,
zakrzywiać wokół siebie czasoprzestrzeń,
przyciągać materię i rozpędzać ją do niewiarygodnych prędkości.
Czarne dziury wydawały się tak radykalnym pomysłem,
że nie powinniśmy ich uznawać.
Ale dowody na istnienie czarnych dziur
były coraz mocniejsze.
UNIWERSYTET HARVARDA
Dostrzegliśmy te niesamowite rzeczy.
W naszej galaktyce znaleziono co najmniej 20 czarnych dziur.
Rentgenowskich układów podwójnych, takich jak Cygnus X-1.
I tylko w naszej galaktyce są na pewno
miliony takich pozostałości po gwiazdach.
Czekała nas jeszcze niesamowita niespodzianka.
Wszystko, co wydawało się astronomom, że wiedzą o czarnych dziurach,
i wiele z tego, co uważali na temat samego wszechświata,
stanęło na głowie z powodu szokującego odkrycia.
Odkrycia dokonano, gdy w czasie badania nieba radioteleskopem
wykryto tajemnicze gorące miejsca, emitujące energię radiową.
Pochodziły z obiektów, które wyglądały jak gwiazdy.
Ponieważ obiekty te przypominają gwiazdy,
ale odkryto je dzięki sygnałom radiowym, astronomowie nazwali je
obiektami gwiazdopodobnymi emitującymi fale radiowe,
czyli kwazarami.
Ale czy są to gwiazdy?
Pierwszym krokiem w celu ich zbadania
jest sprawdzenie, z czego są zrobione. W tym celu
astronomowie analizują emitowaną przez nie energię elektromagnetyczną.
Każdy pierwiastek ma unikalne linie spektralne.
Na przykład węgiel.
Hel.
Wodór.
Te linie ujawniają skład chemiczny gwiazdy.
Okazało się jednak, że widmo kwazaru jest niezrozumiałe.
Przyglądano mu się, lecz było nieczytelne.
Wydawało się, że nie było żadnych emisji
znanych pierwiastków.
Co przeoczono?
Gdzieś musiała być jakaś wskazówka.
Wreszcie w 1963 roku astronom z Caltech, Maarten Schmidt,
znalazł coś, co było ukryte na widoku.
W spektrum kwazaru ukryty był ślad wodoru.
Zauważył coś znanego, ale w złym miejscu.
KWAZAR 3C 273
Linie spektralne wodoru były przesunięte daleko w stronę czerwieni.
Trudno było je zauważyć, bo linie spektralne wodoru
były przesunięte w stronę zakresu widma
z falami długimi.
To mogło oznaczać tylko jedno.
Kwazar oddala się od nas z niesamowitą prędkością.
Astronomowie nigdy wcześniej nie widzieli tak ekstremalnego przesunięcia
linii widma ku czerwieni.
To tak jakby znany dźwięk był zbyt niski, by go zrozumieć.
Światło kwazarów miało tak radykalnie przesunięte linie widma,
że wodór był nierozpoznawalny.
To niesamowite przesunięcie oznacza,
że kwazary oddalają się od nas z niesamowitymi prędkościami.
Dlaczego?
To spuścizna tego,
co wydarzyło się prawie 14 miliardów lat temu: Wielkiego Wybuchu.
Początku naszego wszechświata.
Od tego czasu wszechświat się rozszerza,
niesie ze sobą wszystko, co zawiera, również kwazary.
Nikt nigdy nie widział niczego, co porusza się z taką prędkością.
To sprawia, że te obiekty są najbardziej oddalonymi,
jakie kiedykolwiek widziano,
a to znaczy, że same muszą być bardzo jasne,
i musieliśmy to wyjaśnić.
Dwa miliardy lat świetlnych stąd została wyemitowana energia
biliona Słońc na sekundę.
Co mogło być jej źródłem?
Nikt nie wiedział, co mogło napędzać takie zjawiska.
Skąd pochodzi cała ta energia?
Z obliczeń wynika,
że to nie może być energia chemiczna.
Wiedziano, że nie mogła to być energia jądrowa.
Kwazar nie mógł być gwiazdą.
W reakcjach termojądrowych w gwiazdach nie wydziela się tyle energii.
Jedynym źródłem tak ogromnej energii mogła być grawitacja.
Grawitacja.
W codziennym życiu łatwo ją pokonać.
Ale gdy jest ekstremalnie skupiona w czarnej dziurze,
grawitacja jest niezwykle potężna.
Grupa naukowców zaczęła się zastanawiać,
czy napędem kwazarów nie są silniki grawitacyjne.
A jeśli energia emitowana przez kwazary
pochodzi z jasnych dysków akrecyjnych przy czarnych dziurach?
By wytworzyć taką energię,
taką jasność,
czarna dziura musi brać w tym udział.
Ale nie dowolna czarna dziura.
Źródło emisji z kwazaru
musiało być bardzo ciężkie.
Jak ciężkie?
Miliony lub miliardy razy cięższe niż Słońce.
Cygnus X-1 ma masę tylko 15 mas Słońca.
15 MAS SŁOŃCA
Czarne dziury zasilające kwazary
to zupełnie inna kategoria obiektów:
supermasywne czarne dziury.
Wydaje się, że są zlokalizowane w centrach galaktyk.
A co z naszą galaktyką?
Czy jakaś supermasywna czarna dziura może być bliżej nas?
Środek galaktyki, w którym powinna być supermasywna czarna dziura,
leży w okolicy gwiazdozbioru Sagittarius,
czyli Strzelec.
Strzelec to niezwykły gwiazdozbiór.
Leży po drodze do centrum naszej Drogi Mlecznej.
Ale ponieważ żyjemy w Drodze Mlecznej,
nie widzimy galaktyki tak, jak widziałby ją ktoś z kosmosu.
Ale mogę skorzystać z mojej zaufanej maszyny gwiezdnej,
by pokazać nam galaktykę z zewnątrz.
Nasz dom to galaktyka spiralna, setki miliardów gwiazd
tworzących gigantyczny dysk.
Ma około 100 000 lat świetlnych szerokości,
ale jest stosunkowo płaska.
Ma zaledwie 1000 lat świetlnych grubości.
I cała ta spirala powoli wiruje.
Nasz Układ Słoneczny jest tutaj.
A tu, 26 000 lat świetlnych od Ziemi, jest centrum galaktyki,
które widzimy w pobliżu Strzelca.
W tym gęstym centrum są miliony gwiazd,
mnóstwo pyłu i gazów.
Tak wygląda nasza galaktyka z zewnątrz,
dzięki mojej wymyślnej technice.
Ale skoro żyjemy wewnątrz Drogi Mlecznej,
gdy spoglądamy w kierunku centrum,
widzimy też znaczną część naszej galaktyki,
dlatego jawi się nam ona
jako pasmo gwiazd i pyłu na niebie... Droga Mleczna.
Czy w głębinach tego pasma gwiazd i pyłu
znajduje się supermasywna czarna dziura?
Dane, które teraz uzyskujemy...
W latach 90. astronomowie postanowili rozwiązać zagadkę,
przejrzeć mętną Drogę Mleczną
i dowiedzieć się, co jest w jej centrum, o ile coś jest.
Jednym z nich była Andrea Ghez.
Jeden z 20...
Ghez podjęła się gigantycznego wyzwania.
Postanowiła wytropić pojedyncze gwiazdy
orbitujące wokół centrum galaktyki.
Podstawą tego doświadczenia jest obserwacja
gwiazd orbitujących wokół centrum galaktyki.
Trzeba znaleźć gwiazdy,
które są jak najbliżej centrum galaktyki.
Oznacza to, że chcę mieć dostęp
do jak największego teleskopu.
Dlatego przybyła tutaj.
Szczyt Mauna Kea, uśpiony wulkan,
wznoszący się prawie 4300 metrów nad plażami Hawajów.
Duża wysokość i niska wilgotność czyni to miejsce idealnym dla astronomii.
Ghez korzysta z wyposażenia Obserwatorium Keck w Mauna Kea,
jednego z największych na świecie.
Ale choć jest ogromny, Keck boryka się z podobnymi problemami,
co wszystkie teleskopy na Ziemi:
ze zniekształceniami atmosferycznymi.
Powiedzmy, że patrzymy na kamyk
na dnie rzeki.
Rzeka płynie bardzo szybko
i nasze postrzeganie kamyka jest zaburzone.
Tak jak rzeka,
atmosfera Ziemi ulega ciągłym zmianom.
Zagina światło jak krzywe zwierciadło.
By to zminimalizować, w Keck po raz pierwszy naukowcy wykorzystali
odtajnioną technikę wojskową:
optyką adaptatywną.
Najpierw wystrzeliwują w niebo promień lasera,
tworząc sztuczną gwiazdę referencyjną.
Drgająca atmosfera zniekształca obraz gwiazdy referencyjnej,
ale komputer wie, jak powinna ona wyglądać
i odpowiednio ustawia zwierciadło teleskopu.
Gdy przeglądamy się w krzywym zwierciadle,
nasze odbicie jest zniekształcone.
Celem systemu optyki adaptatywnej
jest wprowadzenie drugiego lustra, które ma dokładnie odwrotny kształt
i które normalizuje obraz.
Ukryte głęboko w teleskopie
odkształcalne lustro zmienia kształt nawet do 2000 razy na sekundę,
by zniwelować skutek zniekształceń atmosferycznych.
CENTRUM GALAKTYKI 2,2 MIKRONA OPTYKA ADAPTATYWNA WYŁĄCZONA
Pozwoliło nam to zrobić najostrzejsze zdjęcia
centrum galaktyki, jakie kiedykolwiek uzyskano.
OPTYKA ADAPTATYWNA WŁĄCZONA
Ostrość tych zdjęć pozwoliła Ghez
wyróżnić poszczególne gwiazdy w pobliżu centrum.
To olbrzymi postęp w astronomii.
W 1995 roku zaczęła rejestrować ich położenie.
I od tamtej pory rokrocznie
po prostu robiliśmy zdjęcie.
Zmontowanie zdjęć z całego roku
pozwala uzyskać poklatkowy film orbit gwiezdnych.
Filmy ukazują coś zdumiewającego.
Gwiazdy obracają się wokół centrum Drogi Mlecznej
z nadzwyczajną prędkością.
Obiekty te poruszają się z prędkością kilku tysięcy...
do 10 000 kilometrów na sekundę,
czyli dziesięciu milionów mil na godzinę.
Naprawdę pędzą.
By rozwijać taką prędkość, gwiazdy muszą orbitować
wokół czegoś o gigantycznej masie.
Masa, o której mowa,
jest cztery miliony razy większa od masy Słońca.
Co może mieć masę czterech milionów Słońc
i pozostawać całkowicie niewidoczne?
To dowód na istnienie czarnej dziury.
I to nie byle jakiej czarnej dziury,
tylko supermasywnej, cichej i śpiącej,
znajdującej się dokładnie w centrum naszej galaktyki.
To najlepszy dotąd dowód,
że istnieją supermasywne czarne dziury.
Nie tylko w centrum naszej galaktyki,
ale w całym wszechświecie.
Supermasywna czarna dziura
cztery miliony razy cięższa od Słońca
w samym centrum naszej galaktyki, Drogi Mlecznej.
Z perspektywy kosmosu to tuż za rogiem.
Rodzi się bardzo ważne pytanie.
Istnieją miliardy galaktyk.
Jeśli nasza ma supermasywną czarną dziurę w samym centrum
i jeśli kwazary są obecne w centrach innych galaktyk,
to co z innymi?
Czy w centrum innych galaktyk też są czarne dziury?
Jeśli tak, czy są powszechne?
Po prostu nie wiedzieliśmy.
Czy jest nadzieja, że astronomowie dowiedzą się kiedyś, co tkwi
w centrum innych galaktyk,
odległych o miliony lat świetlnych? Tak jak Ghez w przypadku Drogi Mlecznej?
Pięć, cztery...
Do osiągnięcia tego potrzebny był kolejny wynalazek astronomiczny.
Start wahadłowca kosmicznego Discovery
z Kosmicznym Teleskopem Hubble'a, naszym oknem na wszechświat.
Gdy Kosmiczny Teleskop Hubble'a zaczyna przekazywać czytelne obrazy
z odległych galaktyk,
zespół astronomów bierze się do pracy.
Zaczęto na nich mówić „Nukers”,
bo skupiali się na galaktycznych jądrach,
na centrach galaktyk.
Jednym z nich jest Tod Lauer.
Krok pierwszy. Robimy zdjęcie galaktyki
Kosmicznym Teleskopem Hubble'a.
Pokazuje nam, gdzie znajdują się gwiazdy w galaktyce.
Pokazuje nam jej strukturę w znakomitej rozdzielczości.
Kluczem do znajdowania supermasywnych czarnych dziur
jest ustalenie, jak szybko poruszają się gwiazdy w galaktyce.
Galaktyki poza tą naszą są zbyt daleko,
by zmierzyć prędkość poszczególnych gwiazd.
Ale analizując zmianę światła z zakresu niebieskiego do czerwonego
w różnych punktach galaktyki,
astronomowie określają średnią prędkość gwiazd
orbitujących wokół centrum.
Jest to wystarczająco dokładne, by stworzyć replikę w komputerze.
Krok drugi. I tu zaczyna się praca.
Próbujemy stworzyć model na podstawie obserwacji.
Robimy, to budując modele galaktyk
na komputerze.
To metoda Schwarzschilda.
Opracowana przez astronoma z Princeton, Martina Schwarzschilda,
syna Karla Schwarzschilda,
którego obliczenia jako pierwsze wskazały
możliwość istnienia czarnych dziur.
Trik Martina Schwarzschilda polegał na tym,
że budując model galaktyki,
wskazywał nie tylko miejsca występowania masy,
ale i to, jak gwiazdy się poruszają.
Dla każdej badanej galaktyki
Nukers skrupulatnie tworzą model komputerowy,
a potem metodą prób i błędów
regulują parametry masy i prędkości,
próbując dopasować model do wyników oryginalnych obserwacji,
wykonywanych teleskopem Hubble'a.
Próbujemy dać gwiazdę tu,
próbujemy tam.
Próbujemy odwracać w drugą stronę.
Albo w jeszcze inną.
Robimy to setki tysięcy razy,
aby stworzyć bibliotekę, która pokaże,
jak gwiazdy orbitują w danej galaktyce.
Osiągnęlibyśmy sukces, gdyby wyniki obserwacji modelu
pasowały do wyników obserwacji wykonanych Kosmicznym Teleskopem Hubble'a.
Ale sukcesu brak.
Modelom czegoś brakuje.
Próbujemy kolejny i kolejny raz,
ciągle bez czarnej dziury, ale wydaje się,
że model jednak nie wyjaśnia
wyników obserwacji.
Dopiero po dodaniu niesamowicie wielkiej masy
w centrum galaktyki,
model pasuje do wyników obserwacji wykonanych teleskopem Hubble'a.
Prawie zawsze musimy umieścić
w centrum czarną dziurę.
Nie da się dopasować wyników obserwacji
bez czarnej dziury w modelu.
Na około trzy tuziny galaktyk zbadanych przez Nukersów
w zasadzie wszystkie wymagają modelu z supermasywną czarną dziurą.
Późniejsze obserwacje
utwierdziły nas w przekonaniu,
że supermasywne czarne dziury i galaktyki idą w parze.
W przypadku każdej badanej galaktyki
znajdowaliśmy w jej centrum supermasywną czarną dziurę.
To zadziwiające odkrycie.
Supermasywne czarne dziury,
dawniej zupełnie nieoczekiwana kategoria czarnych dziur,
mogą być powszechne.
Nie tylko w centrum naszej galaktyki,
ale we wszystkich galaktykach.
Na przykład w galaktyce M31,
zwanej też Galaktyką Andromedy.
Jest oddalona o dwa i pół miliona lat świetlnych.
W bezchmurną noc widać ją z Ziemi.
Ale nawet Kosmiczny Teleskop Hubble'a
nie pozwala dostrzec szczegółów jej centrum.
A jednak jesteśmy niemal pewni,
że kryje się tam coś niezwykle ciężkiego.
A gdybyśmy mogli przyjrzeć się bliżej?
Gdybyśmy mogli odwiedzić tak odległą galaktykę?
Wchodząc w zewnętrzną część Andromedy,
nadal jesteśmy zbyt daleko, by zobaczyć, co kryje się w centrum.
Ale możemy dostrzec gęste skupiska gwiazd w jej rdzeniu
i może to oznaczać,
że w pobliżu jest olbrzymia czarna dziura.
Miliardy lat temu mogła być otoczona przez
gaz, gwiazdy i inne mniejsze czarne dziury.
Czarna dziura mogła zasilać kwazar,
pożerać materię i emitować oślepiające promieniowanie.
Na przestrzeni setek milionów lat
pochłonęłaby
cały dostępny gaz i najbliższe gwiazdy.
Dziś jest stosunkowo spokojna,
ale ma kilka wyjątkowych cech,
których wcześniej nie widzieliśmy.
Po pierwsze, jest olbrzymia.
Gdyby ją wrzucić do naszego Układu Słonecznego,
Merkury, Wenus, Ziemia i Mars
utknęłyby wewnątrz horyzontu zdarzeń.
Jest wielka, ale to nic w porównaniu do samej masy:
sto milionów mas Słońca.
I nie byłby to koniec zniszczeń.
Jowisz też by nie przetrwał.
Pole grawitacyjne supermasywnej czarnej dziury
chwyciłoby go i wchłonęło w całości.
Ostatecznie Saturna czekałby taki sam los.
Zewnętrzne planety mogłyby przetrwać, ale na zimnych i ciemnych orbitach.
Ta czarna dziura obraca się szybko,
deformując i rozciągając materię czasoprzestrzeni.
Jak w każdej czarnej dziurze
i tu horyzont zdarzeń jest zupełnie pozbawiony cech.
Pamiętajcie, że tam nic nie ma.
To tylko granica, która skrywa wnętrze.
Ale dysk akrecyjny sporo mówi o tym, co tam się dzieje.
To ognisty krąg gazu i pyłu wokół czarnej dziury.
Wyobraźmy sobie, że wpuszczamy rój autonomicznych robotów,
by zbadały dysk akrecyjny.
Dysk wiruje z niesamowitą prędkością,
równą połowie prędkości światła.
Gdyby Jowisz poruszał się tak szybko,
pokonywałby całą swoją orbitę w kilka godzin.
Obszar wokół czarnej dziury to kosmiczne tornado.
Nasz rój robotów został już pochwycony.
Są jak znaczniki rzucone w środek burzy,
by stworzyć schemat jej ruchu.
Środkowy robot może wysyłać nam obrazy.
Leci za liderem jak wyścigówka
wokół toru.
Odtąd ekstremalne zakrzywienie czasoprzestrzeni wokół czarnej dziury
sprawia, że obserwujemy złudzenie optyczne.
Wydaje się, że jeden dysk akrecyjny
wiruje wokół równika,
a drugi tworzy łuk nad i pod biegunami.
Ale to tylko złudzenie.
Ekstremalna grawitacja czarnej dziury zagina
promienie światła emitowanego za nią.
Dlatego odnosimy wrażenie, że dysk akrecyjny
jest jednocześnie na górze i na dole.
Wokół biegunów niczego nie ma.
Tylko promienie światła.
To znowu soczewkowanie grawitacyjne.
Bliżej horyzontu zdarzeń
soczewkowanie grawitacyjne byłoby tak nasilone,
że jeden z moich robotów mógłby spojrzeć przed siebie
i zobaczyć swój tył.
Światło jest tu uwięzione w nieskończonym cyklu.
W ten sposób zwiedziliśmy supermasywną czarną dziurę
w centrum Galaktyki Andromedy.
Niesamowite.
Podobnie jak to, że żadne obliczenia naukowców
nie wskazywały, że czarne dziury mogą być tak duże.
Choć są przedziwne,
zwykłe czarne dziury o masie gwiazd
przewidziano przynajmniej teoretycznie.
Supermasywne czarne dziury to całkowita niespodzianka.
O czarnych dziurach o masie gwiazd
ludzie myśleli tylko teoretycznie.
A potem je zaobserwowaliśmy.
W przypadku supermasywnych czarnych dziur było odwrotnie.
Najpierw je zaobserwowaliśmy,
a teraz opracowujemy teorię tego,
jak one powstały.
Wiemy już, że gwiazdy mogą się zapadać,
tworząc zwykłe czarne dziury.
Ale supermasywne czarne dziury są o wiele większe.
Cygnus X-1 jest 15 razy cięższy od Słońca.
Supermasywna czarna dziura w środku naszej Drogi Mlecznej
jest ponad cztery miliony razy cięższa od naszego Słońca.
Ta w Galaktyce Andromedy
jest 100 milionów razy cięższa niż Słońce.
I daleko jej do tych największych.
Istnieją supermasywne czarne dziury dziesięć lub 20 miliardów razy cięższe
od naszego Słońca.
Jak to możliwe, że powstają tak olbrzymie czarne dziury?
Czy supermasywne czarne dziury powstają z zapadniętych gwiazd?
To mało prawdopodobne.
Nie znamy gwiazd miliardy razy cięższych od Słońca.
Wiemy, że czarne dziury mogą powstać z umierającej gwiazdy.
Ich masa kilkakrotnie przekracza
masę Słońca.
Ale nie miliony razy.
W takim wypadku nie mogły powstać z umierającej gwiazdy.
Czy zatem te supermasywne czarne dziury,
miliony lub nawet miliardy razy cięższe niż Słońce,
w jakiś sposób urosły, pochłaniając wszystko jak żarłoczne olbrzymy?
To szalone, że czarne dziury się żywią.
Ciągle pochłaniają wszystko, co się znajdzie
w ich zasięgu,
więc rosną.
Ale w jaki sposób?
Co jedzą i skąd to biorą?
Uważamy, że czarne dziury rosną
wskutek gromadzenia gazu.
Wokół centrum galaktyki
znajduje się mnóstwo gazu.
Gromadzi się on i tworzy dysk akrecyjny.
Dysk akrecyjny składa się z wodoru, helu
i innych pierwiastków w stanie gazowym.
Czarna dziura ma olbrzymią grawitację
i przyciąga do siebie gaz.
Wiruje on,
orbituje coraz bliżej czarnej dziury
i wtedy zaczyna się żywienie.
Materia w obszarach wewnętrznych jest powoli wciągana,
przyspiesza, dociera do horyzontu zdarzeń
i znika.
Jeśli gaz przekroczy horyzont zdarzeń, znika na zawsze.
Czarna dziura wchłania tę materię.
W ten sposób masa czarnej dziury rośnie.
To jeden ze sposobów, jakimi czarna dziura może rosnąć:
stopniowe wchłanianie gazu i pyłu.
Ale to nie jedyny sposób.
Cygnus X-1 powoli odzierał z materii
pobliską gwiazdę.
To proces, który pewnie będzie trwał
jeszcze tysiące lub miliony lat.
A gdyby czarna dziura mogła rozerwać całą gwiazdę
w kilka lat lub tygodni?
To byłoby bardzo gwałtowne zdarzenie.
Grupa naukowców już go wypatruje.
To dyspozytornia teleskopu kosmicznego.
Mam was na piątce.
Początek ścieżki na 0330.
Teleskopu kosmicznego Chandra.
Orbitując do 135 000 kilometrów ponad Ziemią,
Chandra robi wysokiej rozdzielczości zdjęcia
obiektów emitujących promienie rentgenowskie.
To jedno z nich: krótkotrwałe, niezwykle gwałtowne zdarzenie
zwane zdarzeniem chwilowym,
które fascynuje Jamesa Guillochona.
Supernowa, zniszczenie planet przez ich gwiazdy gospodarzy.
Fascynuje mnie niszczenie rzeczy w imię nauki.
James bada tajemnicę odkrytą przez kolegę,
Dachenga Lina.
Ta plama na ekranie Jamesa
to ogromny, nagły wybuch energii promieni rentgenowskich,
uchwycony przez przypadek.
Ta mała smuga wyskoczyła w tle tego zdjęcia.
Biorąc pod uwagę jej odległość,
jest niezwykle jasna.
Czy mogły to być narodziny czarnej dziury
w wyniku nagłego zapadnięcia się olbrzymiej gwiazdy, supernowej?
Możliwe.
Ale intensywne promieniowanie wyemitowane przez supernową
trwałoby zaledwie kilka miesięcy.
Od jak dawna ten tajemniczy obiekt emituje promienie rentgenowskie?
By to ustalić, przyjrzano się zdjęciom tej samej części nieba
zrobionym wcześniej.
Rok 2015.
Rok 2011.
Rok 2008.
Lipiec 2005.
Kwiecień 2005.
Nie wykryto promieni rentgenowskich.
Ale są obecne już trzy miesiące później, w lipcu.
Potężny, jasny sygnał był obecny
przez ponad dziesięć lat,
od lipca 2005 roku do dziś.
Za długo jak na supernową.
Więc co to mogło być?
Czarna dziura, która się nie żywi, jest spokojna i całkowicie ciemna.
Nie pokaże jej żaden teleskop.
Ale czarna dziura, która się żywi, jest zupełnie inna.
Gdy pożera materię, wyrzuca promienie rentgenowskie.
Czy to może być czarna dziura,
która nagle zaczęła pochłaniać coś dużego?
Jaki to będzie mieć skutek na wszystko, co jest w jej pobliżu?
Jaki los spotka gwiazdę, która za bardzo się zbliży?
Czarna dziura obedrze gwiazdę warstwa po warstwie,
ostatecznie pochłaniając
ją całą.
W przeciwieństwie do Cygnusa X-1 to nie jest już skubanie.
To trwające dziesięć lat pożeranie
całej gwiazdy przez masywną czarną dziurę
w jednym kosmicznym mgnieniu oka.
To skutek przypadkowego zderzenia.
Pechowa gwiazda za bardzo się zbliżyła,
a ekstremalna grawitacja czarnej dziury rozdarła ją na strzępy.
Grawitacja czarnej dziury
stale rośnie i rośnie, im bardziej
gwiazda się zbliża.
W tym momencie gwiazda zaczyna się odkształcać.
Nazywamy to rozerwaniem pływowym.
Przypomina to sposób, w jaki grawitacja naszego Księżyca
porusza wszystkimi oceanami na świecie.
Pływy wytwarzane przez czarną dziurę
są miliardy razy potężniejsze
i o wiele gwałtowniejsze.
Zdarza się,
że gwiazda zostaje rozerwana przez czarną dziurę.
Widzimy wtedy smugę światła,
jako ostatnie tchnienie materii gwiezdnej.
Ale część gwiazdy może uciec,
co James nam pokaże.
Gwiazda jest rozciągana przez siłę przyciągania czarnej dziury
i stanie się jej pożywieniem.
W tym samym czasie jej część próbuje uciec.
Wszystko powyżej tego punktu
będzie miało szansę opuścić galaktykę.
Porusza się bardzo szybko.
A wszystko poniżej tego punktu
wpadnie do czarnej dziury
i ostatecznie zostanie przez nią wchłonięte.
To kolejny sposób czarnej dziury na przybieranie na wadze.
Inaczej niż Cygnus X-1, który powoli „skubie”,
ta czarna dziura pochłania większość gwiazdy
za jednym zamachem.
Bez względu na to, czy czarna dziura żywi się nagle,
pochłaniając połowę gwiazdy,
czy powoli, przez akrecję,
astronomowie wciąż nie rozumieją,
jak supermasywne czarne dziury stają się tak duże
w tak krótkim czasie.
Problem zaczyna się od najstarszych supermasywnych czarnych dziur:
kwazarów, bardzo jasnych i odległych
starożytnych obiektów,
odkrytych pierwszy raz w latach 60. XX w.
Odkryte kwazary były zagadką.
Są bardzo jasne, pochodzą z początków wszechświata.
13,05 MILIARDA LAT ŚWIETLNYCH STĄD
Wydzielają tak wielką energię,
że w ich centrach muszą być olbrzymie supermasywne czarne dziury.
Ale kwazary są niesamowicie daleko,
co oznacza, że są częścią bardzo wczesnego wszechświata,
który rozpoczął się prawie 14 miliardów lat temu.
Jasne kwazary,
600 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
To ułamek dzisiejszego wieku wszechświata.
I są olbrzymie.
Ważące miliardy mas Słońca czarne dziury, olbrzymie kolosy,
musiały już istnieć, gdy wszechświat
miał mniej więcej 550 milionów lat.
Teraz mamy kłopot.
Musimy wyhodować coś wielkiego, naprawdę szybko.
Napotykamy ograniczenia związane z prawami fizyki.
Bez względu na to, czy czarna dziura podgryza,
czy pochłania cały posiłek,
okazuje się, że akrecja, rozrastanie się czarnych dziur,
ma ograniczoną prędkość.
Nazwana na cześć angielskiego astronoma, Arthura Eddingtona,
granica Eddingtona nie pozwala czarnej dziurze
rozrastać się zbyt szybko
ze względu na światło emitowane
przez jej własny dysk akrecyjny.
Światło ma ciśnienie.
Fotony mogą oddziaływać z pewną siłą.
Przykładem jest wiatr gwiazdowy: gaz wypychany przez światło.
Ograniczeniem tempa wzrostu czarnej dziury
jest więc jej własna jasność.
Skoro istnieje takie ograniczenie, to jak stare supermasywne czarne dziury,
kwazary, stały się tak duże w tak krótkim czasie?
Czy można obejść to „ograniczenie prędkości”?
Przeszkodą jest wciąż sam czas.
W jaki sposób rozrastają się tak,
że osiągają masę miliardów mas Słońca?
Jakie są potrzebne do tego warunki?
Niektórzy naukowcy zadają sobie pytanie,
czy czarna dziura może powstać w taki sposób,
że jest olbrzymia już w chwili narodzin,
co dawałoby jej przewagę nad innymi.
Gdyby istniał mechanizm fizyczny,
pozwalający stworzyć nasiono czarnej dziury,
które byłoby o wiele cięższe od początku,
wówczas czas nie byłby już tak wielkim zmartwieniem
i zagadnienie wzrostu nie byłoby aż tak intrygujące.
Niektórzy sądzą, że odpowiedzią jest
tworzenie się czarnej dziury bezpośrednio z chmury gazu:
scenariusz nazywany kolapsem bezpośrednim.
Zaczyna się od chmury gazu, składającej się z wodoru, helu
i innych pierwiastków.
Takich samych składników, z jakich rodzą się gwiazdy.
Gęstsze chmury zaczynają się zapadać pod wpływem własnej grawitacji.
W trakcie tego procesu części o większej gęstości
zapadają się szybciej.
Dochodzi do podziału chmur.
Ich fragmenty dalej się zapadają,
aż atomy wodoru zaczynają się łączyć.
Dochodzi do reakcji termojądrowej i powstają gwiazdy.
A jeśli duża chmura gazu zapadnie się, nie tworząc gwiazdy?
Wiemy, że istnieją określone warunki fizyczne,
które umożliwiają tworzenie się dużych dysków gazu,
zanim powstaną jakiekolwiek gwiazdy.
Taki dysk gazu staje się niestabilny.
To pozwala masie przemieścić się do centrum,
i bardzo szybko stworzyć olbrzymią czarną dziurę.
Można to zaobserwować w przyrodzie.
W trąbach powietrznych i wannach.
Wir.
Tyle że gigantyczny.
Gdy, siedząc w wannie, wyciągniesz korek,
widzisz, jak woda wiruje
bardzo szybko w stronę środka.
Właśnie tak się dzieje.
Kolaps bezpośredni mógł być sposobem
tworzenia się wielkich czarnych dziur we wczesnym wszechświecie
z olbrzymich chmur gazu,
z pominięciem etapu gwiazdy.
Czarne dziury powstałe z kolapsu bezpośredniego
byłyby tak duże w chwili powstania,
że łatwiej byłoby im urosnąć
do gigantycznych rozmiarów czarnych dziur, które obserwujemy
w odległym kosmosie.
Czarne dziury powstałe wskutek kolapsu bezpośredniego mogą istnieć.
To czarne dziury, których pierwotna masa,
ich masa początkowa,
jest około 10 000 do 100 000 razy większa
niż masa Słońca.
Od samego początku mają taką masę.
Kolaps bezpośredni może tłumaczyć, jak powstały pierwsze supermasywne
czarne dziury.
Ale pozostaje jeszcze jedno zasadnicze pytanie.
Jaka jest ich rola we wszechświecie?
Czy ich istnienie to przypadek?
Czy są w jakiś znaczący sposób połączone
ze strukturą kosmosu?
Supermasywne czarne dziury nie istnieją w odosobnieniu.
Wydają się mieć związek z galaktykami.
Zbiorowiskami milionów, miliardów
a nawet bilionów gwiazd połączonych grawitacją.
Galaktyki są podstawowymi elementami składowymi wszechświata.
Czy supermasywne czarne dziury w ich centrach
są w jakiś sposób niezbędne dla ich istnienia?
Dziś zakładamy, że każda galaktyka,
nawet taka, która wymaga potwierdzenia,
ma w swoim centrum supermasywną czarną dziurę.
Może wcale nie są to osobliwości,
a kluczowe składniki galaktyk,
istotne składniki wszechświata.
Bardzo szybko doszliśmy do wniosku,
że przypuszczalnie znajdują się w centrach wszystkich galaktyk.
I że mogą istnieć wyłącznie,
jeśli zachodzi symbiotyczny związek
między ewolucją galaktyki,
a supermasywną czarną dziurą w jej centrum.
Jaki to może być związek?
Jedna z intrygujących wskazówek ma związek z rozmiarem.
Im większa jest galaktyka,
tym bardziej masywna wydaje się czarna dziura.
Te czarne dziury w centrach
wydają się wiedzieć o dużej skali swojego środowiska.
Co było pierwsze?
Galaktyka czy supermasywna czarna dziura?
To nie takie proste.
Wydaje się, że w jakiś sposób rosną razem.
Niełatwo powstać jednemu najpierw i oddziaływać na drugie.
Dziś uważamy, że cokolwiek stworzyło jedno,
musiało stworzyć też drugie, jako produkt uboczny.
I musi istnieć jakiś mechanizm zwrotny
pomiędzy galaktyką i czarną dziurą,
który sprawia, że ich rozwój jest zsynchronizowany.
Galaktyki rosną, tworząc nowe gwiazdy
z chmur gazowych wodoru.
Gaz jest paliwem w procesie powstawania gwiazd,
tak jak benzyna jest paliwem dla naszych aut.
Jeśli skończy się paliwo, nie będzie nowych gwiazd.
Czy supermasywne czarne dziury
mają jakiś wpływ na tworzenie gwiazd?
Gdy czarna dziura rośnie,
uwalniana jest olbrzymia energia,
która jest wysyłana w galaktykę.
Uważamy, że część tej energii ogrzewa gazy.
A z gazu, który jest zbyt ciepły, nie utworzy się gwiazda.
Ciepło wydzielane przez rosnące czarne dziury
uniemożliwia tworzenie się gwiazd w ich pobliżu.
To jeden ze sposobów, w jaki rosnące czarne dziury
wpływają na galaktykę. Zatrzymują procesy gwiazdotwórcze.
Wskutek tego od wzrostu supermasywnych czarnych dziur zależy,
czy galaktyka rośnie, czy jest w okresie stagnacji.
Mają etap pożerania materii,
a potem okres uspokojenia.
Wydaje się więc, że biorą udział
w tworzeniu galaktyki,
a potem stabilizują samą galaktykę.
Tajemnicze supermasywne czarne dziury
mają wpływ na tworzenie się wszechświata,
nie ze względu na swoje rozmiary,
a za sprawą emitowanej energii, która kształtuje galaktyki.
Jeśli zliczyć masę wszystkich czarnych dziur we wszechświecie,
tych małych i tych supermasywnych,
ultramasywnych,
jest ona znikoma.
Ale to, ile energii otrzymuje galaktyka
i kiedy ją otrzymuje,
zależy od centralnej czarnej dziury.
Mogą więc mieć one decydujące znaczenie dla wszechświata.
W ciągu najbliższych dwóch lat NASA zamierza uruchomić
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.
Najpotężniejszy teleskop na świecie,
zaprojektowany, by prowadzić obserwacje w podczerwieni i oglądać
jeszcze wcześniejszą historię, niż to możliwe przez teleskop Hubble'a.
Pozwalający oglądać pierwsze gwiazdy i galaktyki,
które powstały po Wielkim Wybuchu.
Z teleskopem kosmicznym Jamesa Webba wiąże się nadzieje
na rozwiązanie wielu pozostałych zagadek,
związanych z najstarszymi supermasywnymi czarnymi dziurami.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest ustawiony tak,
by obserwować wczesny wszechświat, gdy rodziły się galaktyki.
To może nam pomóc zrozumieć,
jak powstała supermasywna czarna dziura
w naszej galaktyce.
Technika rozwija się bardzo szybko
i wskutek tego wyrabiamy sobie diametralnie nowe poglądy
na temat wszechświata.
Myślę, że żyjemy w złotym wieku astronomii.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba
to nie jedyny nowy wynalazek, który może nam pomóc rozwiązać
cześć tajemnic dotyczących czarnych dziur.
UNIWERSYTET HARVARDA WYDZIAŁ SZTUKI I NAUKI
CENTRUM MATEMATYCZNYCH OBLICZEŃ CZARNYCH DZIUR
PROGRAM CZARNYCH DZIUR UNIW. HARVARDA
Uważam, że podczerwień...
Grupa naukowców pod kierownictwem Shepa Doelemana
próbuje osiągnąć niemożliwe:
zrobić zdjęcie czarnej dziury.
Ciekawe jest to, że w ogóle wiemy coś
na temat przepływu akrecyjnego w okolicy czarnej dziury.
Jeśli część z tych zachowań liniowych przetrwa,
może będziemy umieć to zinterpretować.
Projekt nazywa się Teleskop Horyzontu Zdarzeń.
Podstawowym celem Teleskopu Horyzontu Zdarzeń
jest zobaczyć to, co niewidoczne.
Ma pokazać nam to,
o czym naukowcy mówili nam wiele lat temu.
Coś, czego nie widzimy,
Czarną dziurę.
Ich podstawowym celem jest Sagittarius A*,
supermasywna czarna dziura w centrum galaktyki Drogi Mlecznej.
Korzystają ze światowej sieci radioteleskopów.
Potrzebna jest dobra pogoda jednocześnie przy ośmiu różnych teleskopach
na całym świecie,
a to nie takie proste.
Ale skoro czarne dziury są niewidoczne,
to co naukowcy chcą sfotografować?
Chcemy zrobić zdjęcie cienia.
Gdy gaz wokół czarnej dziury
obraca się i uderza w horyzont zdarzeń,
pozostawia zarys,
wyrazisty cień rzucany na otaczające światło.
Powinno to wyglądać jak pączek,
z dokładnie widocznym otworem.
I takiego zdjęcia oczekujemy.
Przekładając to na częstotliwość,
uzyskuję dwa pi do kwadratu.
Członkowie zespołu dokonali pierwszych obserwacji
i teraz przetwarzają dane.
Jest nadzieja, że nowe technologie
zapewnią nam bezprecedensowy widok na czarne dziury we wszechświecie.
Jedna z tych nowych technologii już przynosi wyniki.
Wracamy do LIGO,
ważnego narzędzia do rozwiązywania zagadki czarnych dziur
i do koncepcji, która wyprzedziła swoje czasy:
fal grawitacyjnych.
W swojej ogólnej teorii względności
Einstein przewidział, że obiekty będące w ruchu
mogą tworzyć fale w czasoprzestrzeni,
ściskając i rozciągając przestrzeń.
Jednym z najważniejszych osiągnięć fizyki XX wieku
było odkrycie tych fal grawitacyjnych.
Nie było to proste,
z tą teorią,
bo wszystkie wyniki, o których myśleliśmy,
były niewiarygodnie małe.
Bardzo trudne do zmierzenia.
Myślano,
że gdyby udało się zmierzyć fale grawitacyjne,
potwierdziłoby to przypuszczenia Einsteina.
I byłaby dodatkowa korzyść.
Mogłoby to udowodnić istnienie czarnych dziur
i pomóc rozwiązać zagadkę wzrostu supermasywnych czarnych dziur.
Ale jak wykryć fale grawitacyjne?
W 1970 roku problem ten przykuł uwagę
młodego fizyka doświadczalnego, Raia Weissa.
Rai miał niezbędną wiedzę, by polować na fale grawitacyjne.
Przez lata pracował nad bardziej znanymi falami:
falami dźwiękowymi.
Byliśmy imigrantami.
Byliśmy niemieckimi Żydami.
Wielu naszych przyjaciół interesowało się muzyką.
Rai poświęcił się
dopracowywaniu subtelnych niuansów
nagrywanej muzyki.
Te nagrania miały poważny defekt.
Gdy muzyka była głośna, brzmiały wspaniale.
Ale gdy była bardzo cicha lub wolna,
było tylko słychać...
...coś takiego.
Syczenie.
Było to niezwykle irytujące.
To, czego się nauczył, chcąc wyeliminować szum z nagrań,
przyda się później,
gdy Rai zajmie się
wykrywaniem fal grawitacyjnych.
Trzeba zrozumieć,
jak fala grawitacyjna wykonuje swoją brudną robotę.
To problem fizyczny.
Fale grawitacyjne różnią się od fal dźwiękowych.
Załóżmy, że fala pochodzi od czegoś,
co się w jakiś sposób porusza i oscyluje.
Fala dźwiękowa ściska i rozpręża powietrze.
Fala grawitacyjna ściska i rozpręża przestrzeń
i wszystko, co w niej się znajduje.
Jeśli fala biegnie przez Ziemię,
spowoduje, że przestrzeń
na chwilę się rozszerzy, a potem znowu skurczy.
I robi tak...
Coś w tym stylu.
Jak więc zmierzyć
ekstremalnie małe rozszerzanie i kurczenie przestrzeni?
Rai chciał użyć do tego światła.
Wysłać promień światła
z jednego miejsca w drugie
i zmierzyć czas, w którym tam dotrze.
W ten sposób obliczono odległość od Księżyca:
odbijając promień lasera z Ziemi
od zwierciadła, pozostawionego przez astronautów z Apollo 11.
T = 2,57 SEKUNDY
Na podstawie czasu trwania tej podróży
naukowcy ustalili odległość.
D = 384 400 KM
Rai przedstawił pomysłowy projekt urządzenia,
które za pomocą laserów i luster
wykrywałoby minimalne rozszerzanie i kurczenie się przestrzeni,
wywołane przez falę grawitacyjną.
To interferometria laserowa.
Promień lasera jest wystrzeliwany do rozdzielacza.
Część światła leci prosto
w stronę jednego lustra,
a druga część jest posyłana w stronę innego lustra.
Odległe lustra odbijają promienie,
które łączą się ponownie w fotodetektorze.
Jeśli odległości pokonane przez promienie są dokładnie takie same,
promienie wzajemnie się znoszą
i detektor nic nie wykrywa.
Zastawiono pułapkę, by zmierzyć falę grawitacyjną.
Nadchodzi fala grawitacyjna, na przykład
w tej strukturze.
Jeśli fala grawitacyjna przejdzie,
zmieni na moment długość ramion.
Promienie nie wrócą jednocześnie,
znosząc się nawzajem.
Uderza fala grawitacyjna.
W detektorze pojawia się światło.
Pułapka zwolniona.
Taki jest pomysł.
To bardzo prosty pomiar.
Sprytny pomysł, z zasady prosty.
Ale diabeł i Nagroda Nobla
tkwią w szczegółach.
Różnica w długości ramion
byłaby niewyobrażalnie mała.
Jak mała? Weźmy na przykład atom.
Byłaby mniejsza niż on.
Sto tysięcy razy mniejsza.
A to już jądro atomu.
Jeszcze mniej.
Sto razy mniej.
Mówimy o czymś naprawdę malutkim.
Myślałem, że to szaleństwo.
Sądziłem, że wszyscy uznają to
za coś niemożliwego.
W 1973 roku Kip Thorne przedstawił swoje sceptyczne podejście
w klasycznym podręczniku,
wątpiąc, że kiedykolwiek się to uda.
GRAWITACJA
Ale Kip nie słyszał nigdy, jak Rai Weiss
szczegółowo tłumaczy swój plan.
A gdy usłyszał...
Rozmawialiśmy całą noc.
Mówiłem, że to bardzo możliwe.
I już po chwili, może po 20 minutach czy pół godziny,
Kip wszystko zrozumiał i był przekonany, że się uda.
Przyznałem, że się myliłem,
bo rozmawiając z Raiem,
zdecydowałem, że poświęcę znaczną część
mojej pozostałej kariery, by pomóc w eksperymentach.
Trwało to 40 lat
i wymagało masy pieniędzy,
by wizja Raia i Kipa się ziściła.
Zdobywanie funduszy na LIGO
było niezwykle kontrowersyjne.
Setki milionów dolarów,
by wykryć sygnał, którego nigdy wcześniej nie widziano.
LIGO - OBSERWATORIUM HANFORD
Wielu ludzi obawiało się,
że LIGO to wyrzucenie pieniędzy w błoto.
Było wiele kontrowersji.
Wszyscy zgadzali się,
że będzie to niezwykle trudne.
Dla tak wrażliwego przyrządu
jednym z największych wyzwań
był stary wróg Raia Weissa: szum.
Ruch ziemi.
Drgania sejsmiczne Ziemi.
Hałas,
dźwięki...
Wszystko to poruszało zwierciadłem.
Okazało się, że nawet całkowita próżnia
może stanowić paraliżujący problem.
Przy odległościach subatomowych
dziwna przypadkowość świata kwantowego
powodowała rozgardiasz na lustrach.
Ten kwantowy szum zależy od fluktuacji kwantowych.
Lustra zachowują się tak, jak elektron w atomie:
drgają.
Niezwykła czułość,
ekstremalna próżnia,
setki tysięcy obwodów elektrycznych...
LIGO to jedno z najbardziej zaawansowanych narzędzi
w historii nauki.
Ostatecznie, by wyeliminować fałszywe sygnały,
zbudowali nie jedną,
ale dwie kompletne instalacje:
jedną w Waszyngtonie, drugą w Luizjanie.
Projektanci LIGO spisali się dobrze.
Zaprojektowali więcej niż jeden detektor,
w ogromnej odległości od siebie.
Więc jeśli jeden z nich coś wykryje, a drugi nie,
trzeba sprawdzić elektronikę.
Sprawdzić, czy to nie Prima Aprilis
i czy ktoś nie poruszył gałką.
Wczesna jesień 2015 roku.
W obu lokalizacjach trwają prace,
ale pierwsze oficjalne badania jeszcze się nie rozpoczęły.
Obiekty są wciąż w fazie testowania.
Nad ranem w niedzielę 14 września 2015 roku
naukowiec w Luizjanie podejmuje doniosłą decyzję.
Robert Schofield pracował przez cały weekend,
wykonując ostatnie kalibracje.
Dobra, teraz widmo.
Został mu ostatni test.
Sprawdźmy, skąd jest zasilany ten komputer.
Ale jest późno i sprzęt szwankuje.
Było około czwartej rano,
mieliśmy jeszcze jakąś godzinę pracy.
Widzieliśmy, że nie wszystko idzie dobrze.
Byłem wykończony.
Nie chciałem tego robić na siłę.
Zakończyli pracę.
A 40 minut później
w ciszy ich bezczynności,
otworzyły się drzwi do historii.
Potężna fala grawitacyjna przeszła przez oba detektory,
w Luizjanie i w Waszyngtonie.
Gdyby Robert Schofield pracował tej nocy 40 minut dłużej,
przyrządy byłyby w trybie testowym
i sygnał, który podróżował 1,3 miliarda lat,
nie zostałby zarejestrowany.
Lubię mówić,
że moim największym udziałem w LIGO
było moje lenistwo tamtego dnia.
Dostałem od kogoś maila,
żebym zajrzał na pewną stronę.
Spojrzałem i powiedziałem: „Cholera...”.
Była tak potężna,
że widać ją było gołym okiem.
To było zbyt piękne, żeby było prawdziwe.
Ale to była prawda.
Głośna i zaskakująco wyrazista.
I śpiewała dla nas.
Była tam, widoczna.
Sygnał trwał krócej niż sekundę,
ale ta niezwykle krótka chwila
wystarczyła, by odebrać komunikat z głębin kosmosu,
nadany ponad miliard lat temu,
i udowodnić istnienie czarnych dziur.
Sygnał pokazał
oscylację wokół luster, najpierw powolną,
a potem coraz szybszą.
I to było dokładnie takie zachowanie,
jakiego oczekiwaliśmy od fal grawitacyjnych,
wytworzonych przez dwie czarne dziury, które krążą wokół siebie,
po torze spiralnym.
Dwie masywne czarne dziury,
jedna 29 razy cięższa od Słońca,
druga 36 razy cięższa od Słońca,
wirujące wokół siebie setki razy na sekundę,
zakończyły swój akt wzajemnego zniszczenia, łącząc się
i tworząc jedną, większą czarną dziurę, o masie 62 Słońc.
Gwałtowne połączenie przekształciło część masy
w apokaliptyczną porcję uwolnionej energii,
czego nigdy przedtem nie byliśmy świadkami.
Zderzenie dwóch dziur
tworzy prawdziwą burzę w strukturze
czasoprzestrzeni.
To tak jak gdyby wziąć trzy słońca,
całkowicie je unicestwić,
i zmienić w fale grawitacyjne.
Energia była 50 razy większa od energii
wszystkich gwiazd we wszechświecie
w ułamku sekundy.
To najpotężniejszy wybuch,
którego dowody znalazła ludzkość,
poza Wielkim Wybuchem.
Od czasu tego pierwszego sygnału wykrytego we wrześniu 2015 roku
LIGO wykryło jeszcze kilka zderzeń czarnych dziur.
W październiku 2017 roku Rai Weiss, Kip Thorne
i były dyrektor LIGO, Barry Barisch,
otrzymali Nagrodę Nobla.
Odkrycia LIGO udowodniły, że czarne dziury mogą się łączyć,
że w ten sposób mogą szybciej rosnąć.
Coraz więcej dowodów na łączenie się czarnych dziur świadczy o tym,
że w kosmosie jest wiele czarnych dziur,
że mogą się odnajdywać i łączyć.
To odkrycie dało zupełnie nowy sposób
obserwacji wszechświata.
Zawsze myśleliśmy, że astronomia polega
na obserwowaniu promieniowania.
Na obserwacji obiektów.
Ale to nie jest promieniowanie.
To coś bardziej fundamentalnego.
To pierwotne wstrząsy czasoprzestrzeni.
Teraz słyszymy wszechświat.
Po raz pierwszy
astronomowie jednocześnie zobaczyli i usłyszeli kosmiczne zdarzenie.
W sierpniu 2017 roku LIGO wykryło fale grawitacyjne
pochodzące ze zderzenia dwóch gwiazd neutronowych.
Czarne dziury to pusta przestrzeń,
ale gwiazdy neutronowe to martwe gwiazdy o dużej gęstości,
które mogą się zderzać i rozświetlać niebo.
Gdy teleskopy i satelity na całym świecie
zwróciły się w stronę dźwięku,
wszyscy zobaczyliśmy fajerwerki
po wybuchowej kolizji, a następnie rozbłysk.
Możliwe, że wskutek tego to zderzenia powstała
nowa czarna dziura.
Ale dopóki nie zaobserwujemy procesu tworzenia się czarnej dziury,
pozostanie wiele niewiadomych.
Bo wiele informacji o czarnych dziurach
pozostanie poza naszym zasięgiem.
Nigdy nie dowiemy się, skąd pochodzą,
co mają w środku, nie poznamy ich historii.
Ale możemy wyobrazić sobie ich przyszłość.
Liczba czarnych dziur we wszechświecie rośnie.
Stają się coraz większe.
Gwiazdy się zapadają,
czarne dziury rosną i się łączą,
tworząc nowe.
Czy pewnego dnia
wszystko znajdzie się wewnątrz czarnej dziury
i to one zapanują nad wszechświatem?
Kiedy biliony lat po tym wydarzeniu
ostatnie kawałki materii przekroczą ich horyzonty zdarzeń,
same czarne dziury mogą całkowicie wypromieniować
i zniknąć z tej rzeczywistości.
Mają wiele tajemnic, a my dopiero zaczęliśmy
odkrywać sekrety tych dziwnych, potężnych miejsc.
Ale jedno jest pewne.
Czarne dziury będą nas intrygować,
kusić nas
i stawiać wyzwania nauce i wyobraźni.
PAMIĘCI CAROLYN LYNCH.
W PODZIĘCE DLA JEJ PASJI DLA NAUKI I POŚWIĘCENIU EDUKACJI.
Przetłumaczone przez: Liliana Reguła