Astrofizycy badający czarne dziury robią to z bezpiecznej odległości. A co by było, gdyby kiedyś w odległej przyszłości (gdy pozwoli na to technologia) zorganizować wyprawę badawczą, by poznać tajemnice jednej z nich. Mamy jednak tutaj pewną zagwozdkę - człowiek może przetrwać przelot przez horyzont zdarzeń czarnej dziury, o ile jest to odizolowana super-masywna czarna dziura. Nie spodziewajmy się, że obserwator prześle jakąkolwiek informację o swoich odkryciach poza horyzont zdarzeń do kogoś we Wszechświecie.
Wiemy, że czarne dziury są jednymi z najczęściej występujących obiektów we Wszechświecie. Te niezwykłe obiekty wydają się być głównym składnikiem ewolucji Wszechświata - od Wielkiego Wybuchu do współczesności. Prawdopodobnie miały również wpływ na powstanie inteligentnego życia w naszej Galaktyce.
Dwa rodzaje czarnych dziur
Wszechświat jest zaśmiecony całą menażerią różnych typów czarnych dziur. Mogą one różnić się masą, ładunkiem elektrycznym, rotacją. Jednak dla dalszych rozważań są istotne następujące ich rodzaje:
• obojętne elektrycznie nierotujące czarne dziury o masie naszego Słońca,
• super-masywne czarne dziury o masach milionów lub nawet miliardów mas Słońca.
Oprócz różnych mas, oba typy czarnych dziur charakteryzują się różną odległością od centralnej osobliwości do horyzontu zdarzeń (patrz rysunek poniżej). Horyzont zdarzeń czarnej dziury jest granicą, po której przekroczeniu nie ma powrotu. Wszystko co ją przekroczy znika na zawsze z naszego Wszechświata.
Promień horyzontu zdarzeń (ang. event horizon radius) to jest odległość od środka masy czarnej dziury (centralna osobliwość - ang. central singularity) do granicy obszaru, gdzie grawitacja jest za silna by z niej się wyrwać. Źródło: Leo i Shanshan Rodriguez, CC BY-ND
Na horyzoncie zdarzeń siła grawitacji jest tak potężna, że nie istnieją siły mechaniczne, które mogą ją pokonać. Nawet światło, czyli najszybciej poruszający się byt we Wszechświecie, nie może stąd uciec. Dlatego są nazywane „czarnymi dziurami”.
Promień horyzontu zdarzeń czarnej dziury (patrz wzór rHorizon na rysunku tytułowym) zależy od jej masy i jest kluczem do przetrwania astronauty. Dla przykładu czarna dziura o masie Słońca (1 Mʘ) posiada horyzont zdarzeń o promieniu około 3 km.
Z drugiej strony super-masywna czarna dziura w centrum naszej Drogi Mlecznej posiada masę około 4 milionów mas Słońca i horyzont zdarzeń o promieniu około 12 milionów km, czyli 17 promieni słonecznych (17 Rʘ).
Z tego powodu - w przeciwieństwie do super-masywnych czarnych dziur, nasz astronauta spadając na czarną dziurę o masie gwiazdowej, znajdzie się bliżej środka masy czarnej dziury, czyli tzw. centralnej osobliwości (ang. central singularity), zanim minie horyzont zdarzeń.
Bliskość centralnej osobliwości podczas spadania nieszczęśnika na przykład nogami w stronę czarnej dziury o masie zbliżonej do Słońca sprawia, że w pobliżu horyzontu zdarzeń siła grawitacyjna działająca na palce stóp będzie około 1000 miliardów (~1000 000 000 000 !!!) razy większa niż siła działająca na czubek głowy. Innymi słowy, jeżeli astronauta będzie spadał nogami do przodu na czarną dziurę, to w pobliżu horyzontu zdarzeń siła grawitacji działająca na stopy będzie drastycznie (ekspotencjalnie / wykładniczo !!!) większa od siły działającej na głowę.
Astronauta doświadczy zjawiska spagetyzacji i nie przetrwa rozciągania w długą nitkę przypominającą makaron-spaghetti.
Z naszego codziennego doświadczenia wiemy, że na przykład uszkodzenia ciała podczas wypadków samochodowych są spowodowane przez przyspieszenia, które są „zaledwie” kilkadziesiąt razy większe od przyspieszenia ziemskiego. Po przemnożeniu przez masę możemy oszacować „zwykłą mechaniczną” siłę wyhamowującą ciało w ułamku sekundy do zerowej prędkości.
Astronauta zbliżając się do horyzontu zdarzeń czarnej dziury o masie Słońca (ang. solar mass black hole) odczuje ogromną różnicę sił grawitacji działających na głowę i palce stóp, czyli różnicową siłę pływową (ang. differential tidal force) rozciągającą go w długą nitkę podobną do makaronu. Dlatego ten efekt określa się obrazowo terminem spagetyzacji. Źródło: Leo i Shanshan Rodriguez, CC BY-ND
Natomiast astronauta spadający na super-masywną czarną dziurę mógłby przeżyć przelot przez horyzont zdarzeń, ponieważ znajduje się znacznie dalej od centralnej osobliwości. Oznacza to, że różnica sił grawitacyjnych wywieranych na głowę i nogi jest bliska zeru. Więc mógłby minąć bezboleśnie horyzont zdarzeń - bez konsekwencji w postaci śmiertelnego rozciągnięcia w długą nitkę spaghetti.
Astronauta spadający na super-masywną czarną dziurę (ang. supermassive black hole) powinien przetrwać przekroczenie jej horyzontu zdarzeń. Ważne jest, aby to był odizolowany obiekt, na który nie spada materia (np. rozerwana pływowo planeta lub gwiazda). Źródło: Leo i Shanshan Rodriguez, CC BY-ND
Dodatkowe uwarunkowania
Większość czarnych dziur, które obserwujemy we Wszechświecie jest otoczona przez bardzo gorące dyski składające się w większości z gazu i pyłu. Mogą to też być planety i gwiazdy - o ile znalazły się za blisko horyzontu zdarzeń. Te dyski nazywane są dyskami akrecyjnymi i zawierają bardzo gorącą materię o dużej turbulencji. Z całą pewnością nie jest to gościnne środowisko i może sprawić, że podróż w stronę czarnej dziury będzie ekstremalnie niebezpieczna.
Aby minąć bezpiecznie horyzont zdarzeń należy znaleźć super-masywną czarną dziurę, która jest całkowicie odizolowana od otoczenia i nie „posila się” otaczającą materią, gazem, czy nawet gwiazdami.
Nawet gdy zostanie znaleziony taki obiekt i zrealizowana wyprawa kosmiczna w stronę jej wnętrza, to wszystko co zostanie zaobserwowane lub zmierzone wewnątrz nie wydostanie się poza horyzont zdarzeń.
Niestety astronauta nie będzie mógł wysłać jakichkolwiek informacji o swoich odkryciach poza horyzont, ponieważ nic nie może uciec z okowów grawitacji poza horyzont zdarzeń. Cała ta wyprawa i odkrycia będą stracone dla reszty Wszechświata na zawsze. Ale jej uczestnicy będą mogli czerpać przyjemność z podróży w jedną stronę tak długo, jak pozostaną przy życiu - być może ...
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
Leo Rodriguez i Shanshan Rodriguez z Grinnell College (USA): Could a human enter a black hole to study it?
Źródło: astronomy.com
Na ilustracji: spadający na czarną dziurę człowiek o wzroście „d” i masie md jest rozciągany przez siły pływowe |ΔFgraw|, gdy zbliża się do horyzontu zdarzeń czarnej dziury o promieniu rHorizon zależnym od jej masy M. Zakrzywienie czasoprzestrzeni wokół nierotującej czarnej dziury charakteryzuje jej metryka ds. Źródło: Leo Rodriguez i Shanshan Rodriguez, CC BY-ND
