Gwiazdy, planety, ludzie i petunie: wszystko kiedyś wyparuje?

Taki wniosek płynie z nowej analizy efektów fizycznych, o których wcześniej sądzono, że występują tylko w pobliżu czarnych dziur. W tym ekstremalnym środowisku największe rzeczy we Wszechświecie spotykają się z najmniejszymi. Aby opisać zdarzenia w tak różnych skalach, naukowcy muszą stosować zarówno teorię względności Einsteina (zasady rządzące dużymi obiektami), jak i mechanikę kwantową (reguły dotyczące rzeczy bardzo małych), co prowadzi do pewnych dziwacznych efektów. Ale jeśli nowe obliczenia są poprawne, parowanie może być powszechne – nawet wtedy, gdy w pobliżu nie ma czarnych dziur.

W latach 70. ubiegłego wieku nieżyjący już brytyjski fizyk Stephen Hawking zaczął rozmyślać, co się dzieje z cząstkami, które doświadczają niesamowitych sił grawitacyjnych na krawędzi czarnej dziury – miejscu znanym jako horyzont zdarzeń. Wszystko, co znajduje się niedaleko pod horyzontem zdarzeń, nieuchronnie wpadnie do czarnej dziury, podczas gdy wszystko, co znajduje się tuż ponad nim, wciąż ma szansę na ucieczkę.

Hawking chciał się dowiedzieć, co stanie się z parami cząstek – cząstką i jej antycząstką – które spontanicznie pojawią się w pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Te pary wyłaniają się z „pustej” próżni kosmicznej, a mechanika kwantowa mówi nam, że procesy narodzin i znikania cząstek zachodzą zawsze i wszędzie. Gdy tylko cząstka spotyka się ze swoją antycząstką, w ułamku sekundy niszczą się nawzajem, a Wszechświat w ogóle nie zauważa ich obecności.

Hawking wykazał jednak, że gdyby jedna z cząstek pojawiła się pod horyzontem zdarzeń, wpadłaby do czarnej dziury, podczas gdy jej partner po drugiej stronie horyzontu wyleciałby na zewnątrz z ogromną prędkością. Aby zachować całkowitą energię czarnej dziury i spełnić zasady fizyki, wpadająca cząstka musi mieć ujemną energię (a zatem ujemną masę), zaś wylatująca – energię dodatnią. W ten sposób czarne dziury emitują rodzaj energii nazywany obecnie promieniowaniem Hawkinga. Z upływem czasu ta uciekająca dodatnia energia wysysa czarne dziury, prowadząc do ich wyparowania.

Jakieś sześć lat temu astrofizyk Heino Falcke z Radboud Universiteit w Holandii zaczął głębiej zastanawiać się nad prawami fizycznymi związanymi z tymi procesami – i nad tym, czy horyzont zdarzeń czarnej dziury jest ich niezbędnym składnikiem. Innymi słowy, czy takie samo parowanie może zachodzić w przypadku innych obiektów. „Zadałem to pytanie kilku ekspertom i otrzymałem bardzo różne odpowiedzi” – wspomina.

Falcke poprosił o pomoc fizyka kwantowego Michaela Wondraka i matematyka Waltera van Suijlekoma (obaj z Radboud), aby ponownie przyjrzeć się tej kwestii. Trio postanowiło podejść do tematu z nietypowej strony. Naukowcy wykorzystali równania opisujące pokrewne zjawisko znane jako efekt Schwingera, w którym naładowane cząstki i antycząstki po wyłonieniu się z próżni zostają rozdzielone przez silne pole elektromagnetyczne. Proces ten można uznać za analogiczny do kreacji par cząstek poddanych silnym siłom grawitacyjnym na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury.

Z analizy matematycznej przeprowadzonej przez naukowców wynika, że każdy obiekt obdarzony masą – a nie tylko obiekt superciężki, taki jak czarna dziura – ma wpływ na wyłaniające się z próżni kosmicznej pary cząstek i antycząstek. Jak mówi Tyler McMaken, doktorant zajmujący się astrofizyką teoretyczną na University of Colorado Boulder, jeśli użyjemy terminologii falowej, cząstki te można traktować jako chmurę prawdopodobieństwa określającą ich położenie w przestrzeni. W przypadku braku jakichkolwiek sił zewnętrznych – elektromagnetycznych lub grawitacyjnych – zarówno chmura cząstki, jak i antycząstki będą na siebie zachodzić i będą się wzajemnie anihilować. Jeśli jednak grawitacja lub inna siła będzie działać na jedną chmurę mocniej niż na drugą, każda z nich zostanie nieznacznie przesunięta. Cząstki nie będą na siebie nachodzić, a zatem nie ulegną anihilacji, ale stworzą promieniowanie, podobnie jak cząstki wyrzucane z horyzontu zdarzeń czarnej dziury.

Wyniki obliczeń zespołu, opublikowane niedawno w czasopiśmie „Physical Review Letters”, wskazują, że wszystko, co podlega grawitacji (czyli w zasadzie każdy obiekt we Wszechświecie), będzie emitować promieniowanie Hawkinga i w końcu wyparuje. Obliczenia pokazują, że proces ten zajmie biliony bilionów lat, jest więc prawdopodobne, że ty i twoje rzeczy osobiste i tak już dawno przepadną, zanim ten efekt zacznie działać. Niemniej, jeśli to zjawisko jest prawdziwe, skróceniu może ulec życie pozostałości masywnych martwych gwiazd, takich jak białe karły i gwiazdy neutronowe.

Analiza wydaje się obiecująca, mówi McMaken, który nie uczestniczył w tych pracach. „Pokazuje ona, że na pewno istnieje pewien efekt, dzięki któremu cząstki mogą zostać rozerwane wyłącznie przez siły grawitacyjne w próżni” – dodaje. McMaken i jego koledzy rozważali wykonanie podobnych obliczeń, jest on więc zadowolony, że naukowcy dokładnie sprawdzili, co dzieje się w takich sytuacjach.

Jednakże inni badacze się z tym nie zgadzają. „Osobiście podchodzę raczej sceptycznie do tezy, że wszystkie wcześniejsze obliczenia dotyczące zachowania cząstek w pobliżu masywnych obiektów są błędne” – mówi fizyczka teoretyczna Sabine Hossenfelder z Munich Center for Mathematical Philosophy. Podejrzewa ona, że dokładniejsza analiza wykazałaby, iż pary cząstka-antycząstka w rzeczywistości nie promieniują z masywnych obiektów innych niż czarne dziury.

Dzisiejsza technika nie jest wystarczająco czuła, aby wykryć efekt parowania i udowodnić nowe twierdzenie w taki czy inny sposób. Falcke i jego zespół sugerują, że aby potencjalnie wesprzeć ich twierdzenia, dalsze eksperymenty mogłyby polegać na obserwacji efektu Schwingera, który na obecnym etapie również pozostaje jedynie hipotezą.