Tajemnicza osobliwość

2. Czym jest osobliwość czarnej dziury?

Rozwiązaniem równań Einsteina są niezwykłe obiekty matematyczne, nazwane po raz pierwszy czarnymi dziurami przez Johna Wheelera w 1967 roku. Czarna dziura przypomina małą bramkę, klepkę w podłodze, przez którą materia może opuścić nasz Wszechświat, lecz nigdy do niego już nie wróci. Grawitacja na brzegu czarnej dziury jest tak duża, że nic, nawet światło, nie może się z niej wydostać. Małe czarne dziury (o masie mniejszej od góry, miliarda ton) ulegają kwantowemu wyparowaniu. Proces ten, przewidziany przez Stephena Hawkinga w 1974 roku, nie został jeszcze zweryfikowany doświadczalnie. W przypadku czarnych dziur o masach takich jak gwiazdy, wyparowanie trwałoby dłużej od wieku Wszechświata.

Granica czarnej dziury – horyzont – leży w obrębie tzw. promienia grawitacyjnego lub Schwarzschilda. Jego wartość zależy nie tylko od masy materii zawartej w czarnej dziurze. Wzór wyprowadził niemiecki astronom Karl Schwarz-schild, który rozwiązał równanie Einsteina dla pojedynczej masy punktowej spoczywającej w pustym Wszechświecie. Dokonał tego w ostatnim roku swego życia, gdy służył jako ochotnik na froncie wschodnim. Jego nazwisko znaczy „Czarna tarcza”, trafne określenie granicy czarnej dziury.

Gdyby ścisnąć ciało do rozmiarów mniejszych od promienia grawitacyjnego, wówczas prędkość ucieczki z powierzchni takiego ciała byłaby większa od prędkości światła. Na przykład: gdyby Słońce skurczyło się do rozmiarów kuli o promieniu mniejszym od 3 km, powstałaby czarna dziura*.

Wszystko, co spada na czarną dziurę, osiąga osobliwość i na zawsze zostaje stracone dla pozostałego Wszechświata. Istnieje jednak interesująca różnica między tym, co widzi obserwator zewnętrzny, a tym, czego doświadcza dzielny badacz spadający wraz z materią. Obserwator widzi, jak badacz ciągle zbliża się do horyzontu czarnej dziury, lecz nigdy go nie osiąga. Odczuwa on również grawitację, jak przedtem. W tym sensie czarne dziury są nigdy niekończącym się procesem.

Poczerwienienie grawitacyjne wywołane bliskością czarnej dziury rośnie bardzo szybko i po krótkim czasie każdy sygnał pochodzący od badacza staje się zbyt słaby, aby mógł zostać wykryty. Lecz co stanie się z samym badaczem? Zgodnie z teorią, po pewnym skończonym czasie wskazanym przez jego zegar przekroczy on promień Schwarzschilda i w tym momencie nie zauważy niczego szczególnego. Po wykonaniu jednak tego kroku jego los będzie bezpowrotnie absolutnie przesądzony. W mgnieniu oka ogromne siły pływowe rozerwą jego ciało na kawałki, które zostaną wchłonięte przez bezwzględne monstrum.



________________________

* Promień grawitacyjny wynosi Rg=2GM/c^2, gdzie M jest masą ciała. Dla masy Słońca R=2,95 km. Prędkość ucieczki wynosi v=(2GM/R)^1/2. Jeśli promień ciała Rc.