Što su crne rupe i jesu li znanstvenici uopće u pravu kad razgovaramo o njihovom ponašanju? Albert Einstein smatrao je da je crna rupa urušena zvijezda ogromne gustoće kojoj čak ni svjetlost ne može pobjeći, previše apsurdna da bi u stvarnosti postojala. No, čak i Einsten može pogriješiti.
Kako nestaju zvijezde?
Naša zvijezda, Sunce, umrijet će tihom smrću. Naše Sunce prosječne je mase i nakon što sagori sav vodik (što će se dogoditi za otprilike 5 milijardi godina) vanjski slojevi Sunca će se raspršiti, a jezgra će se stisnuti i postati tzv. bijeli patuljak – usamljena žeravica veličine Zemlje. Mnogi vjeruju kako bi Sunce moglo postati crna rupa, ali ovo jednostavno nije moguće na temelju fizikalnih svojstava ove zvijezde.
No, za zvijezdu koja je deset puta masivnija od Sunca, smrt je poprilično dramatična. Vanjski slojevi zvijezde eksplodiraju i nastaje supernova, koja je nekoliko tjedana jedan od najsvjetlijih objekata u svemiru. Gravitacija svede jezgru zvijezde na neutronsku zvijezdu, rotirajući loptu promjera kojih desetak kilometara.
Komadić neutronske zvijezde veličine kocke šećera na Zemlji težio bi milijardu tona; gravitacija neutronske zvijezde toliko je jaka da kada bismo spustili perce na njenu površinu, sudar bi proizveo istu količinu energije kao i atomska bomba. Nije li to zastrašujuće, ali u isto vrijeme izuzetno fascinantno?
Kako nastaju crne rupe?
Međutim, ovo je ništa nasuprot smrti zvijezde koja je dvadeset puta veća od Sunca. Kad bismo svake milisekunde cjelokupnog trajanja svemira aktivirali atomsku bombu poput one u Hirošimi, još uvijek ne bismo oslobodili istu količinu energije koja se oslobađa pri kolapsu ogromnih zvijezda. Vanjski slojevi zvijezde poniru prema središtu zvijezde.
Temperature dosežu 100 milijardi stupnjeva Celzijusa. Gravitacijska sila naprosto je nevjerojatna i nezaustavljiva. Komadi željeza veći od Mount Everesta gotovo su momentalno zbijeni na čestice veličine zrnca pijeska. Atomi su razbijeni na elektrone, protone i neutrone. Te se čestice poslije dalje razbijaju na kvarkove, leptone i gluone. I tako dalje, sve sitnije i sitnije, gušće i gušće, sve dok…
Što se tada događa nitko ne zna. Pri pokušaju objašnjavanja tog fenomena, obje najvažnije teorije o funkcioniranju svemira – opća teorija relativnosti i kvantna mehanika, u neredu su, poput brojčanika u avionima koji se divlje vrti. I zvijezda postaje crna rupa.
Što je točno crna rupa?
Crna rupa je najtamnija provalija u svemiru i potrebna je nevjerojatna brzina kako bi se pobjeglo od njene gravitacije. Kako bismo pobjegli od Zemljinih kandži morali bismo ubrzavati otprilike 11 km/s. To je zaista vrlo velika brzina – oko 6 puta brže od metka – ali rakete koje je sagradio čovjek sposobne su nadvladati Zemljinu gravitaciju još od 1959. godine. To je bio zaista velik trenutak.
Općenito, kao granica brzine se uzima brzina svjetlosti – otprilike 300 000 km/s. No, čak ni ta nevjerojatna brzina (nevjerojatna za zemaljska mjerila, ipak poprilično spora za svemirske razmjere) nije dovoljna kako bismo izbjegli gravitaciji crne rupe. Prema tome, što god upadne u crnu rupu, čak i zrnce svjetlosti, ne može pobjeći iz nje.
I prema nekim čudnim efektima ekstremne gravitacije, nemoguće je zaviriti u crnu rupu. Ona je mjesto odijeljeno od ostatka svemira. Granica između crne rupe i ostatka svemira naziva se horizont događaja. Sve što prijeđe horizont događaja (zvijezda, planet, osoba) izgubljeno je zauvijek.
Što Einstein kaže o crnim rupama?
Albert Einstein, jedan od najmaštovitijih mislioca u povijesti fizike, prije jednog stoljeća dokazao je da masa zvijezda, planeta i sve materije izlučuje gravitacijsku silu, koja savija svemir poput gumenog lista. Što je veća masa objekta, veća je i gravitacija, te i efekt iskrivljenja svemira. Kako crna rupa ima ekstremno veliku masu, ima i ekstremno veliku gravitaciju koja ju pretvara u već spomenutu svemirsku provaliju iz koje ni svjetlost ne može pobjeći.
No, Einstein nikad nije vjerovao da crne rupe zaista postoje. Njegove formule dopustile su njihovo postojanje, ali često je govorio da priroda ne bi dopustila postojanje tako razornih objekata. Ono što je Einsteinu bilo najneprirodnije u konceptu crnih rupa je ideja da gravitacija može nadvladati navodno moćnije sile – elektromagnetsku, nuklearnu – i izbrisati jezgru enormno velike zvijezde iz svemira, poput Davida Copperfielda svemirskih razmjera.
No, Einstein nije bio jedini. U prvoj polovici 20. st. većina fizičara odbacilo je ideju da bi objekt mogao postati toliko gust da bio bio sposoban ugušiti svjetlo. Podržavanje te teorije u to bi vrijeme bilo jednako vjerovanju u Zubić vilu – uništilo bi osobi karijeru.
Ali, znanstvenici su zainteresirani za moguće postojanje crnih rupa još od 18. st. Engleski filozof Johm Michell spomenuo je tu ideju u izvješću Kraljevskom društvu u Londonu 1783. godine. Francuski matematičar Pierre-Simon Laplace predvidio je postojanje crnih rupa u knjizi objavljenoj 1796.
Zaleđene zvijezde ili pak crne rupe?
Nitko nije te superguste zanimljivosti prepoznao kao rupe – na njih se referiralo kao na zaleđene zvijezde, tamne zvijezde, urušene zvijezde ili Schwarzschild singularnosti, prema matematičaru koji je riješio mnoge teorijske jednadžbe o njima. Naziv ‘crne rupe’ prvi je upotrijebio fizičar John Wheeler u svom govoru na Sveučilištu Columbia 1967. godine.
Otprilike u to vrijeme došlo je do radikalnog zaokreta o znanstvenom mišljenju o crnim rupama zbog pronalaženja novih načina promatranja svemira. Sve od zore čovječanstva bili smo ograničeni na vidljivi spektar svjetlosti. Međutim, u 60-ima počeli su se koristiti infracrveni i radiovalni teleskopi.
Oni su astronomima omogućili da promatraju svjetlo koje prescjeca prašinu vanjskog svemira na različitim valnim dužinama i po prvi put nam dopustili pogled u unutrašnjost galaksije, njezinu strukturu, njezine kosti.
Na početku su znanstvenici otkrili da u središtu većine galaksija (a ima ih više od 100 milijardi diljem svemira) jest izbočina prepuna zvijezda, plinova i prašine. U samom središtu te kaotične izbočine, u gotovo svakoj galaksiji koju smo istražili, pa i u našoj galaksiji Mliječnoj stazi, nalazi se enormno težak i gust objekt s enormno jakom gravitacijom, te je neovisno o kojem je mjerenju riječ jasno da je u pitanju crna rupa.
Fizikalna svojstva crnih rupa
Te su rupe neizmjerne. Crna rupa u središtu Mliječnog puta ima masu 4,3 milijuna sunaca. Susjedna galaksija Andromeda u središtu ima crnu rupu koja ima masu 100 milijuna sunaca. Smatra se da ostale galaksije mogu imati crne rupe mase i do 10 milijardi sunaca. Rupe nisu otpočetka tako velike.
Dobivaju na masi tijekom vremena, kao i mi uostalom, sa svakim obrokom. Stručnjaci nadalje vjeruju da malene crne rupe lutaju periferijom galaksija i da su prilično česta pojava.U samo jednoj generaciji fizičara crne rupe su prešle put od šale pa do općeprihvaćene činjenice. Zapravo, crne rupe su potpuno uobičajene. Vjerojatno ih ima više od bilijun diljem svemira.
Nitko nikada nije vidio crnu rupu, a niti i neće, jer se nema što vidjeti: crna rupa je samo prazna točka u svemiru – veliko ništa, kako fizičari vole reći. Prisutnost rupe se može odrediti samo pomoću efekata koje ima na svoju okolinu. Kao kad bismo pogledali kroz prozor za vjetrovita dana i vidjeli da se svaka krošnja povija u jednom smjeru. Vjerojatno bismo gotovo sigurno bili u pravu kad bismo pretpostavili da puše jak, nevidljiv vjetar.
Kada biste upitali stručnjaka koliko je sigurno da crne rupe postoje, vjerojatno će spremno odgovoriti 99,9%; a ako se u središtu galaksija ne nalaze crne rupe, onda se tamo nalazi nešto još nevjerojatnije. No, sve bi sumnje trebale uskoro nestati jer astronomi planiraju promatrati crnu rupu kako se hrani i tako dobiti odgovore na neka pitanja.
Ima li u Mliječnoj stazi crna rupa?
Crna rupa u središtu naše galaksije, Mliječnog puta, koja je udaljena 26 000 svjetlosnih godina od Zemlje, zove se Sagittarius A (Strijelac A). Sgr A* je službena skraćenica; A se čita kao A star (A zvijezda). Sgr A* je trenutno vrlo mirna i izbirljiva crna rupa. Druge galaksije u svojim središtima imaju čudovišne proždirače zvijezda i planeta, svemirske Godzille – kvazare.
Uskoro se Sgr A* sprema večerati; privlači velik oblak plina nazvan G2 brzinom od otprilike 2900 km/s. Do kraja godine G2 će se približiti horizontu događaja crne rupe. Kad dođe do tog, radio teleskopi diljem svijeta će se fokusirati na Sgr A* i stručnjaci se nadaju da će njihovim sinkroniziranjem formirati ogroman opservatorij imena Teleskopiranje horizonta događaja. Po prvi puta ćemo dobiti slike crne rupe u akciji. Nećemo baš vidjeti crnu rupu, već ono što su astronomi nazvali diskom srastanja, odnosno krhotine koje ocrtavaju rub rupe, poput mrvica na stolu nakon ručka. Te slike trebale bi biti dovoljne da uklone sve sumnje u postojanje crne rupe.
Također, pogled na Sgr A* dok se „hrani” pomoglo bi nam pri određivanju samog tkanja svemira. Materija koja se kovitla prema crnoj rupi proizvodi i mnogo vrućine dobivene trenjem (materije u srazu s crnom rupom), a same crne rupe se i rotiraju (crne rupe su zapravo nevjerojatno duboki virovi raspršeni diljem svemira).
Kombinacija vrtnje i vrućine dobivene trenjem utječe na to da se velik postotak materije (oko čak 90%) koja pada u crnu rupu rasprši u dodiru s horizontom događaja, poput iskrica pri brušenju metala. Ta zagrijana materija kanalizira se u mlazove koji se kovitlaju kroz svemir, čak i dalje od rupe, nevjerojatno brzo, obično samo mrvicu sporije od brzine svjetlosti.
Ti mlazovi mogu se protegnuti kroz milijune svjetlosnih godina diljem galaksije. Crna rupa, drugim riječima, promućka stare zvijezde u središtima galaksije i zakipi plinove koji nastaju u procesima u vanjskim dijelovima galaksije. Plin se hladi i povezuje i s vremenom formira novu zvijezdu, te se tako galaksija obnavlja.
Koji je posao crnih rupa?
Važno je razjasniti nekoliko stvari vezanih za crne rupe. Prvo, crna rupa ne pokušava usisati čitav svemir, kao što je popularizirano u znanstveno-fantastičnoj literaturi i filmovima. Crna rupa nema veću moć privlačenja od obične zvijezde, jedino što ima nevjerojatan zahvat za svoju veličinu (što jednom ulovi, nikad ne pušta).
Ako bi naše Sunce odjednom postalo crna rupa (to se neće dogoditi, ali zamislimo) imala bi istu masu, jedino bi se njegov promjer smanjio s otprilike 1 392 300 km na manje od 6,5 km. Zemlja bi postala mračna i hladna, ali njena se orbita oko Sunca ne bi promijenila. Ta crna rupa nastala od Sunca jednako bi privlačila Zemlju kao i Sunce.
A ako bi Zemlja postala crna rupa, zadržala bi svoju trenutnu težinu od 6 trilijardi tona (6 x 1021, odnosno 6 puta broj iza kojeg ide 21 nula), ali bi se smanjila na veličinu manju od veličine očne jabučice. Mjesec se, međutim, ne bi premjestio niti promijenio. Prema tome, crne rupe ne usisavaju. Kraj priče.
Gubitak svojstva vremena i prostora
Vrijeme i crna rupa imaju neobičan odnos koji je poprilično teško objasniti. Zapravo, zaboravimo na trenutak na crne rupe, vrijeme je samo po sebi neobičan koncept. Vjerojatno ste čuli za frazu „vrijeme je relativno”, što znači da se vrijeme ne kreće uvijek istom brzinom za svakoga. Einstein je otkrio da gravitacija utječe na vrijeme. Naprimjer, ako na svaki kat nebodera stavite ekstremno precizan sat, svaki će drugačije otkucavati.
Satovi na nižim katovima (bliži središtu Zemlje gdje je gravitacija najjača) otkucavat će malo sporije od satova na višim katovima. To nikad ne primjećujemo jer je razlika nevjerojatno mala, sat s najdonjeg kata kuca otprilike za milijarditi djelić sekunde sporije. Satovi na satelitima namješteni su na mrvicu sporije otkucavanje nego satovi na Zemlji. Kad ne bi bili tako podešeni, GPS ne bi bio točan.
Crne rupe sa svojom nevjerojatnom gravitacijom zapravo su vremenski strojevi. Kad bi bilo moguće sjesti na raketu i otputovati do Sgr A*, te se jako približiti horizontu događaja (ali nikako ga ne prijeći) otkrili biste da za svaku sekundu koju provedete blizu horizonta događaja, na Zemlji prođe tisuću godina. Iako je u to teško povjerovati, to je točno – gravitacija oblikuje vrijeme.
Ali, što se događa ako prijeđete horizont događaja? Osoba izvan horizonta događaja ne bi ni primijetila da ste ga prešli, a vi biste bili doslovno zamrznuti beskonačno mnogo vremena, gotovo zauvijek. Iako, tehnički, ne zauvijek.
Ništa ne traje vječno, pa ni crne rupe. Britanski fizičar, poznati Stephen Hawking, dokazao je da crne rupe „cure” – to curenje nazvano je Hawkingova radijacija – i nakon dovoljno vremena, crna rupa će u potpunosti ispariti. No, ovdje govorimo o golemim količinama vremena, o trilijunima trilijuna trilijuna godina.
Dovoljno dugo da bi u dalekoj, dalekoj budućnosti crne rupe mogle biti jedini preostali objekti u našem svemiru. Iako vanjski promatrač ne bi primijetio da ste prešli horizont događaja, što bi se dogodilo s vama? Sgr A* je toliko velika da je njen horizont događaja od središta te crne rupe udaljen otprilike 13 milijuna km. U tijeku je debata o tome što se događa kad se prijeđe horizont događaja.
Moguće je da postoji neki oblik vatrene barijere, tzv. vatreni zid, te bi u trenutku prelaska horizonta događaja jednostavno izgorjeli. Međutim, teorija relativnosti predviđa drugačiji razvoj događaja. Teorija relativnosti kaže da se pri prelasku horizonta događaja ne događa ništa. Ne biste ni primijetili da ste od tog trenutka zauvijek izgubljeni za ostatak svemira. I dan danas, Hawkingove teorije o crnim rupama dižu (svemirsku) prašinu.
Je li crna rupa beskonačna?
Često se govori da je crna rupa beskonačna, no to nije točno. Crna rupa ima svoje dno, ali ako upadnete u nju, nećete poživjeti dovoljno dugo da ga vidite. Što dalje padate u crnu rupu, gravitacija je sve jača. S vremenom bi vas gravitacija toliko rastegla da bi vas potpuno rastrgala. Fizičari sa smislom za humor to zovu „špagetiranjem”.
U središtu crne rupe nalazi se prava zagonetka – singularnost. Objašnjenje singularnosti bit će bez premca jedno od najvećih znanstvenih otkrića u cjelokupnoj povijesti. Kao prvo, potrebno je oblikovati novu teoriju koja bi nadilazila i Einsteinovu teoriju opće relativnosti (ona određuje kretanje zvijezda i galaksija) i kvantnu mehaniku (koja određuje kretanje mikroskopskih čestica).
Obje teorije sasvim uvjerljivo, iako približno, objašnjavaju stvarnost, no na ekstremnim mjestima poput središta crne rupe, niti jedna se ne može primijeniti. Pretpostavlja se da je singularnost ekstremno sitna, i više od toga – kad bi povećali singularnost trilijun trilijuna puta ni najjači svjetski mikroskop ne bi ju mogao ni približno vidjeti.
Ali, nešto ipak postoji, barem u matematičkom smislu. Nešto ne samo malo, već i nezamislivo teško. Nema smisla pitati se što. Većina fizičara smatra da crne rupe postoje, ali da je u nju nemoguće prodrijeti iz „vanjskog svemira”, te da nikada nećemo znati što je i od čega se sastoji singularnost.
Međutim, nekoliko neortodoksnih znanstvenika se ne slaže. U posljednjih nekoliko godina među teorijskim fizičarima prihvaćena jje teorija da naš svemir nije jedini. Živimo u tzv. multiverzumu (multisvemiru) – ogromnoj kolekciji svemira, svaki u svom mjehuriću stvarnosti. Ova teorija je vrlo spekulativna, ali i moguća, te objašnjava da se treba osigurati dovoljno materije iz postojećeg svemira kako bi se osiguralo rođenje drugog svemira.
Nakon svega, poznato nam je što je nastalo iz barem jedne singularnosti. Naš svemir nastao je prije 13, 8 milijardi godina u jednom ogromnom „velikom prasku”. Samo tren prije toga, sva materija u našem svemiru bila je sažeta u beskonačno malu, ipak nevjerojatno gustu točku – singularnost. Možemo zamisliti da multiverzum funkcionira kao npr. stablo hrasta.
Jednom kad žir padne u plodno tlo, mladi hrast nevjerojatno brzo izrasta. Možda se isto događa sa singularnosti – sjemenom novog svemira. S obzirom na dosadašnja saznanja moguće je da svaka rupa izvire iz nekog drugog svemira. Također, s obzirom na dokaze koje imamo iz unutrašnjosti crne rupe, moguće je i da živimo u jednoj crnoj rupi – koliko zasad znamo.
