Zakołysaliśmy czarną dziurą, a ona to przetrwała

Niewiele pojęć wymyślonych przez fizyków zrobiło tak wielką karierę jak „czarna dziura”. Termin ten, ukuty w połowie lat 60. ubiegłego wieku przez amerykańskiego fizyka Johna A. Wheelera, opisuje obszar czasoprzestrzeni, do którego można wpaść, i z którego nie można się już wydostać. Inna wersja głosi, że kilka lat wcześniej amerykański fizyk Robert Dicke fizyk użył porównania tych obszarów do Czarnej Dziury z Kalkuty – więzienia, z którego, według legendy, nikt żywy nie wyszedł.

Przez ostatnią dekadę czarne dziury mocno zaznaczały swoją obecność w doniesieniach prasowych. W 2015 r. zespół LIGO/Virgo po raz pierwszy zaobserwował fale grawitacyjne powstałe w procesie zlewania się dwóch supermasywnych czarnych dziur (odkrycie to zostało uhonorowane Nagrodą Nobla w 2017 r.). Trzy lata później czarne dziury znowu zawitały do Sztokholmu, tym razem z okazji obserwacyjnego potwierdzenia istnienia wielkiego obiektu tego rodzaju w centrum naszej galaktyki. A całkiem niedawno na pierwszych stronach gazet na całym świecie widniały zdjęcia czarnych dziur wykonane przez Event Horizon Telescope.

Zdawać by się mogło, że o czarnych dziurach wiemy też bardzo wiele na poziomie teoretycznym. Czy na pewno?

Najnowsze rozwiązanie ma już 60 lat

O istnieniu obiektów, z których nic, nawet światło wydostać się nie może, spekulowano już w drugiej połowie XVIII w. Kilka miesięcy po sformułowaniu przez Einsteina ogólnej Teorii Względności, w 1916 r., niemiecki astronom Karl Schwarzschild, znalazł proste rozwiązanie tej teorii opisujące statyczną (niezmienną) czarną dziurę. Przez wiele lat, co prawda, fizycy – łącznie z Einsteinem – uważali, że rozwiązanie to nie może opisywać występujących we wszechświecie obiektów, ale od kilkudziesięciu lat wiemy dobrze, że mogą one istnieć. I rzeczywiście istnieją.

Prawie 50 lat trzeba było jednak czekać na bardziej ogólne rozwiązanie. Czarna dziura Schwarzschilda jest absolutnie niezmienna i charakteryzuje się jedynie masą. Nowa propozycja, Roya Kerra z 1963 r., opisuje czarną dziurę obracającą się wokół ustalonej osi, ze stałą prędkością kątową – charakteryzuje się ona więc dwoma parametrami, masą i ową prędkością obrotu (lub momentem pędu). Od tego czasu minęło już niemal 60 lat i nie zdołaliśmy doczekać się żadnego bardziej ogólnego rozwiązania odpowiadającego czarnej dziurze. Powodem jest tu fakt, że równania Einsteina są niezwykle skomplikowanym – jak to się fachowo nazywa – układem nieliniowych cząstkowych równań różniczkowych, który po prostu niełatwo jest rozwiązać.

Czarne dziury są szturchane bezustannie

Jeśli szukanie nowych rozwiązań nie przynosi efektów, warto spróbować czegoś innego. Gdy mamy przed sobą nieznany obiekt, którego tajemnice chcemy rozgryźć, pierwszą rzeczą, która przychodzi na myśl jest, by wziąć go w ręce potrząsnąć i zobaczyć, co się stanie. „We Will Rock You” śpiewał Queen dawno temu, co prawda w nieco innym kontekście, ale kto wie, może Brianowi Mayowi, w końcu doktorowi astrofizyki, w trakcie komponowania przeszła przez głowę myśl, że można też zakołysać czarną dziurą.

Gdy potrząśniemy kawałkiem galarety, pokiwa się on w tę i w tamtą stronę, aż po jakimś czasie znowu w swojej galaterowatości zastygnie. Ale co stanie się, gdy damy niezbyt mocnego „kuksańca” czarnej dziurze Kerra? Mogłoby na przykład okazać się, że rozpada się na części, albo zamienia w jakiś galaretopodobny twór bezkształtnie bujający się aż do końca świata. Byłaby to katastrofa, bo oznaczałoby to, że nie możemy traktować rozwiązania Kerra jako adekwatnego opisu fizycznych czarnych dziur. Chodzi o to, że prawdziwe czarne dziury, są bez przerwy „szturchane” – a to przez przelatujące w pobliżu gwiazdy, a to przez opadającą na nie materię. A ponieważ trwają przez miliony a może i miliardy lat, opisujące je rozwiązanie teorii Einsteina musi też cechować się pewnym stopniem obojętności na wpływy zewnętrzne.

Specjaliści są jeszcze podzieleni

Fachowo problem ten nazywa się problemem stabilności rozwiązania Kerra. Technicznie polega on na zbadaniu, czy jeśli do tego rozwiązania dodamy niewielki dodatek, na przykład odpowiadający przelatującej w pobliżu gwieździe, to równania Einstaina powiedzą nam, że po upływie wystarczająco długiego czasu, znajdziemy w rezultacie jakieś rozwiązanie Kerra. Ono może być oczywiście inne od początkowego (bo przelatująca gwiazda może się rozpaść a jej część wpaść do czarnej dziury zmieniając jej masę i prędkość obrotu, mogą powstać fale grawitacyjne itd.)

Zagadnienie to można więc stosunkowo łatwo zobrazować, ale już znacznie trudniejsze jest precyzyjne sformułowanie problemu, nie mówiąc już o jego rozwiązaniu. Dość powiedzieć, że problem stabilności rozwiązania Kerra uważany był od kilkudziesięciu lat za jedną z najważniejszych niewyjaśnionych zagadek matematycznej teorii względności. Dopiero kilka miesięcy temu zespołowi fizyków matematycznych – Elenie Giorgi z Columbia University, Sergiu Klainermanowi z Princeton University i Jérémie Szeftelowi z Sorbony – w liczącej w sumie ok. 2 tys. stron pracy udało się stabilności dowieść. Dowód ma zastosowanie jedynie w przypadku małych prędkości obrotu, ale autorzy są optymistami. Twierdzą, że w ciągu najbliższych kilku lat zdołają rozszerzyć go na przypadek ogólny.

Dowód stabilności rozwiązania Kerra uważany jest przez wielu specjalistów za wielkie osiągnięcie – kamień milowy w rozwoju matematycznej teorii względności. Część ekspertów jest jednak bardziej powściągliwa, wskazując, że praca nie doczekała się jeszcze publikacji w recenzowanym czasopiśmie. Biorąc pod uwagę fakt, że ma ona tak wielką objętość, sporo miesięcy zajmie zapewne sprawdzenie poprawności wszystkich kroków rozumowania. Ale dopóki nikt nie pokaże, że wynik Giorgi, Kleinermana i Szeftela jest błędny, radujmy się. Zakołysaliśmy bowiem czarną dziurą (co prawda tylko na papierze, przy użyciu ołówka) i nic złego się nie stało.