— Published on 01/05/2015 / Bug.hr.
Crne rupe i vremenska izobličenja – Einsteinova neviđena ostavštvina, naslov je knjige koju je Kip Thorne, američki teorijski fizičar poznat po brojnim doprinosima iz područja gravitacije (odnedavno i po izvršnoj produkciji filma Interstellar), objavio 1994. godine. Crne rupe, vremenska izobličenja i druge bizarnosti poput crvotočina i vremenskih strojeva proizašle su iz Einsteinove opće teorije relativnosti, teorije koja je nakon točno 100 godina i dalje vodeća teorija gravitacije. Teorije koja ne opisuje samo skretanje svjetlosti koja prolazi pored vrlo masivnog objekata, ili zakret Merkurovog perihela, nego i teorije koja omogućuje preciznost GPS-uređaja ugrađenog u svaki današnji pametni telefon. Einstein nije bio nimalo sretan s takvim čudovištima koja su počela izlaziti iz njegove lijepe teorije, praktički od samog početka. Već 1915. godine, čim je Einstein objavio konačnu verziju svoje opće teorije relativnosti, njemački fizičar Karl Schwarzschild pokazao je da iz nje slijede crne rupe. Bili su to oni isti objekti o kojima je još 1783. nagađao John Michell. No, Schwarzschildov račun bio je puno više od nagađanja. Predvidio je mnoga svojstva crnih rupa, među ostalima i horizont događaja – zamišljenu plohu oko crne rupe koja je ona fatalna granica iza koje nema povratka. Iako su crne rupe indirektno potvrđene mnogo puta, sam horizont događaja nikad nije izravno opažen. Velika mreža teleskopa EHT (Event Horizon Telescope) ima za cilj upravo to – prvo izravo opažanje horizonta događaja supermasivne crne rupe u središtu naše galaksije.
Nedavno sam, u sklopu Festivala znanosti, za mlađu publiku održao jedno predavanje o Suncu. Među pitanjima nakon predavanja bilo je – sasvim očekivano – i pitanje o crnim rupama. Uz dinosaure i vanzemaljce, crne rupe su nešto što djecu redovito fascinira. Kasnije u životu te fascinacije postanu manje ili više potisnute, ali gotovo nikad ne nestanu potpuno. Crne rupe su uvijek mrak.
Osnovna ideja crne rupe može se razumjeti već na razini srednjoškolske fizike. Bacimo li kamen okomito u zrak, on će se gibati sve sporije i sporije, zaustaviti se, zatim se gibati sve brže i brže natrag prema dolje i na kraju pasti na mjesto s kojeg je bačen (na tlo, ili na bacača koji nije bio dovoljno mudar da se na vrijeme makne). Što je brzina izbacivanja veća, to je veća i maksimalna visina koju će kamen doseći. Možemo li kamen izbaciti tako velikom brzinom da on više nikad ne padne natrag na tlo? Možemo. Barem načelno. Takvu graničnu brzinu, koja tijelu omogućuje da se oslobodi gravitacijskog privlačenja Zemlje, nazivamo brzinom oslobađanja. Relativno se lako pokaže da je brzina oslobađanja proporcionalna korijenu iz mase Zemlje i obrnuto proporcionalna korijenu iz polumjera Zemlje. Za Mjesec, Mars ili recimo Sunce brzinu oslobađanja računamo s njihovim masama i polumjerima i ona je, naravno, drukčija nego na Zemlji. Konkretno, brzina oslobađanja na Suncu je oko 600 km/s. No, postoje zvijezde koje su više od sto puta masivnije od Sunca. Kad bi takva zvijezda imala isti polumjer kao Sunce, brzina oslobađanja bi joj bila deset (korijen iz sto) puta veća, dakle oko 6000 km/s. Ali, takva zvijezda ne mora imati isti polumjer. Raspon mogućih polumjera zvijezda puno je veći od raspona mogućih masa. Primjerice, naše Sunce će u fazi crvenog diva narasti sa sadašnjih približno milijun kilometara u promjeru na sto milijuna ili čak milijardu kilometara u promjeru. A na kraju će postati bijeli patuljak veličine Zemlje, s tek nekih deset tisuća kilometara u promjeru.
Sad je vjerojatno već jasno na što ciljam. Uz dovoljno veliku masu i dovoljno mali polumjer zvijezde, brzina oslobađanja mogla bi premašiti famoznih 300000 km/s, brzinu svjetlosti. To bi značilo da svjetlost ne bi bila dovoljno brza da napusti takvu zvijezdu. Zvijezda ne bi mogla zračiti. Bila bi doslovno crna, objekt koji ništa ne emitira. I koji sve, što mu je na dohvatu, nepovratno apsorbira. Sablasno, mora se priznati. E, pa to je klasična definicija crne rupe. Tako je još 1783. godine razmišljao John Michell. Tada su to bile čiste spekulacije. Naime, lako je mijenjati brojeve u formuli i otići u krajnosti. No, bez eksperimenata ne možemo znati postoje li te krajnosti u prirodi.
S općom teorijom relativnosti poimanje crnih rupa postalo je puno šire od crnih zvijezda čija je brzina oslobađanja veća od brzine svjetlosti. Naime, u općoj teoriji relativnosti gravitacija je posljedica zakrivljenosti prostorvremena. Veća masa jače zakrivljuje okolno prostorvrijeme. U analogiji s gumenom plahtom, veća masa jače udubljuje plahtu na mjestu na kojem se nalazi.
Neki moji kolege fizičari ne vole tu analogiju jer, kao, dovodi u zabludu. Istodobno ne predlažu ništa bolje pa vam, po njima, preostaje jedino savladati tenzorski račun i vizualizacije u 4D. No, ja ću se držati gumene plahte. Crna rupa bilo bi udubljenje u plahti koje beskonačno duboko, iz kojega ništa ne može van. Poderana plahta, doslovno plahta s rupom, odgovarala bi trodimenzijskom prostoru koji je isto na neki način "poderan", koji je "odrezan" od ostatka svemira. Plohu koja dijeli crnu rupu od ostatka svemira nazivamo horizontom događaja. Taj horizont događaja djeluje kao polupropusna membrana, u jednom smjeru propušta, a u drugome ne. Možete upasti u crnu rupu, ali ne možete ispasti iz crne rupe. Iz crne rupe se nitko ne vraća.
Kako opaziti crnu rupu ako ona, po definiciji, ništa ne emitira? Relativno lako: indirektno kroz procese koji se, zbog prisustva crne rupe, odvijaju u njezinoj okolini. Primjerice, materija koja je relativno blizu crnoj rupi, biva privučena, ali ne i odmah usisana. Zbog očuvanja kutne količine gibanja materija koja pada prema crnoj rupi formira akrecijski disk. Naravno, izvan horizonta događaja. U akrecijskom disku događaju se brojni sudari čestica, a u sudarima nastaju čestice i zračenje visokih energija. Dio čestica i zračenja završi u crnoj rupi, a dio uspijeva pobjeći. Ono što pobjegne možemo detektirati sa Zemlje, u rendgenskom području ili u gama-području.
Možemo opaziti čak i crnu rupu u čijoj okolini nema materije koja bi se sudarala i zračila. Ako je takva crna rupa točno na liniji opažanja udaljenih zvijezda ili galaksija onda ona djeluje kao gravitacijska leća koja uzrokuje distorziju pozadinske slike. Većina umjetničkih prikaza crne rupe zapravo su simulacije upravo takve situacije u kojoj je crna rupa ispred dalekih svijetlih objekata pa se vidi crni disk oko kojega je nekakav svjetlosni vrtlog. Za izravno opažanje takve slike sadašnji su teleskopi još preslabi. No, supermasivna crna rupa u središtu naše galaksije je dovoljno blizu i dovoljno velika da bi se njezin horizont događaja mogao razlučiti zajedničkim radom velikog broja vrlo udaljenih radioteleskopa. I to je ideja projekta EHT: udružiti postojeće radioteleskope u jedinstveni sustav koji bi postigao osjetljivost potrebnu za prvo izravno opažanje horizonta događaja neke crne rupe, u prvom redu najveće crne rupe u našoj galaksiji, objekta poznatog po nazivu Strijelac A*. Očekuje se da bi EHT taj cilj mogao ostvariti već u narednim mjesecima.