Ciemna energia, spaghettifikacja i dysk akrecyjny. Co jeszcze pozostaje do odkrycia we Wszechświecie?

• O kolejnych odkryciach astronomicznych mówi się często w perspektywie kilkunastu lat. Czy można jakoś ten czas skrócić?

- Cały czas ludzie pracują nad tym, żeby poprawić dokładność przyrządów optycznych, którymi obserwujemy wszechświat, a także nad tym, żeby zwiększyć liczbę teleskopów, które się w niego wpatrują. Podstawowym pytaniem jest, czy teoria grawitacji Einsteina jest teorią, która dobrze opisuje nasz wszechświat. Na dzień dzisiejszy wydaje się, że robi to bardzo dobrze. Istnieją jednak teorie fizyczne, które są uogólnieniem teorii Einsteina, czyli zawierają w sobie pewne dodatkowe elementy. Być może opisują wczesne stadia ewolucji naszego wszechświata, wtedy, gdy było bardzo gorąco, a efekty kwantowe były dominujące.

Wydaje się, że ludzie, którzy zrobili pierwsze zdjęcie czarnej dziury, wnętrza galaktyki M87, będą dalej zwiększali dokładność swoich urządzeń i liczbę radioteleskopów, aby jeszcze głębiej sięgnąć w tę czeluść i zobaczyć, czy przypadkiem ten obraz nie jest delikatnie modyfikowany czynnikami, które pochodziłyby z uogólnienia ogólnej teorii względności.

Ten zespół będzie też zapewne badał to, jak wygląda obraz naszej galaktyki, czyli wnętrze „naszej” czarnej dziury. Jest ona zdecydowanie bliżej niż ta z galaktyki M87, ale też mniej aktywna. Nie otrzymaliśmy obrazu „naszej” czarnej dziury, ponieważ jest ona otoczona bardzo dużą ilością pyłu. On przeszkadza w obserwacjach.

• Czy można powiedzieć, że wykonanie pierwszego zdjęcia czarnej dziury jest największym dokonaniem w 2019 roku?

- Ten obraz był przewidziany teoretycznie przez fizyków już pod koniec lat 80. To zdjęcie to doświadczalne potwierdzenie. Dane, które spływały z teleskopów radiowych, zawierały tylko część tego obrazu. Natomiast kompletny obraz odtworzono za pomocą zaawansowanych metod wizualizacyjnych stosowanych w kryminalistyce. Mamy bardzo dużą pewność, że to jest prawda. Po pierwsze, to wszystko zgadza się z symulacjami numerycznymi, które wynikają z ogólnej teorii względności. Po drugie, to już robiono od lat 70. i dostawano bardzo podobne obrazy. Zastosowano też programy komputerowe, które świetnie potrafią odwzorować ten obiekt z bardzo małej ilości danych.

• Co sprawia największe problemy badaczom przy obserwacjach czarnych dziur?

- Jeżeli zobaczymy samą czarną dziurę, bez żadnej materii, to jest łut szczęścia. To jest prawie niewykonalne. Czarna dziura jest obiektem, który ma tak silną grawitację, że nawet fotony nie mogą się oderwać z jej powierzchni. Czarne dziury można zobaczyć, gdy są one otoczone materią. Te efekty, które powoduje czarna dziura - łykając tę materię, rozrywając gwiazdy, czy zderzając się z drugą czarną dziurą - możemy obserwować.

I właśnie w jądrach galaktyk jest taka supermasywna czarna dziura otoczona pyłem. Tworzy on, tak zwany, dysk akrecyjny. Można to porównać do naleśnika, który otacza czarną dziurę. Jest on bardzo różnie zwrócony do kierunku naszych obserwacji. Jeżeli jest pod kątem, to zakłóca obraz czarnej dziury.

Druga sprawa techniczna to rozdzielczość. W tych obserwacjach, które zostały dokonane, sięgamy do kilkuset lat świetlnych od wnętrza czarnej dziury. Jeżeli zwiększymy dokładność, to będzie kilka lat świetlnych. Chcemy zobaczyć, czy matematyczna teoria czarnych dziur, która jest bardzo dobrze rozwinięta, sprawdzi się w naturze.

• Czy można sobie wyobrazić taki scenariusz, że kiedyś będziemy potrafili wejść do czarnej dziury?

- Okazuje się, że im mniejsza jest czarna dziura, to efekty, które działają na kosmonautę, który by wpadł do środka, są większe. On ulega, tak zwanej, spaghettifikacji, czyli rozciągnięciu w postaci kluska. Natomiast im większa czarna dziura, która ma miliony mas Słońca, to ta czeluść, czyli promień horyzontu zdarzeń, jest większa i te efekty są w konsekwencji mniejsze. Gdybyśmy wlecieli do takiej ogromnej czarnej dziury w centrach jakichś galaktyk, to być może nie bylibyśmy rozerwani. A co tam zobaczymy, to już są spekulacje.

Teoria mówi tak, że jeżeli czarna dziura jest charakteryzowana tylko masą, to musimy skończyć swój żywot we wnętrzu czarnej dziury w - tak zwanej - osobliwości. Natomiast jeżeli posiada ona dodatkowo ładunek elektryczny, to nie musi tak być. Okazuje się, że pod horyzontem zewnętrznym jest jeszcze jeden taki obszar: horyzont wewnętrzny. Jeżeli uda nam się przez niego przelecieć, to być może wylądujemy w zupełnie innym miejscu w czasoprzestrzeni. Portale nie są tylko domeną science-fiction. Bada się je również na papierze. Teoria „dziur robaczanych” jest aktualnie rozwijana. To są wszystko dopuszczalne rozwiązania równania Einsteina.

• Niedawno w artykule opublikowanym w tygodniku „Time” padło stwierdzenie, że około 84 proc. materii we wszechświecie to coś innego niż atomy. Czyli mamy jeszcze aż tak dużo do odkrycia?

- Tylko 4 proc. materii znanej we wszechświecie, czyli masy naszego obserwowanego wszechświata, to jest materia, z którą mamy do czynienia na co dzień. Ponad 23 proc. materii to jest tak zwana, ciemna materia. Oddziałuje ona tylko grawitacyjnie i jak na razie nie ma jej śladu w żadnych akceleratorach ziemskich. Reszta, ponad 60 proc. masy wszechświata, to tak zwana ciemna energia. Jest ona jeszcze ciekawszą substancją, wypełniającą nasz wszechświat, bo powoduje ona, że nasz wszechświat się coraz szybciej rozszerza. Zupełnie nie wiemy, co to jest.

Na obserwacjach w dużych skalach widać, że 6.5 miliarda lat po wielkim wybuchu wszechświat zaczął nagle przyspieszać i nie wiadomo, dlaczego tak się dzieje. Równanie Einsteina trzeba zmodyfikować o dodatkowe człony, które powodują „rozdymanie” naszego wszechświata. I to jest właśnie ta ciemna energia, która ma bardzo ciekawą własność: ma ujemne ciśnienie. Co ciekawe, jeżeli wrzucimy tę ciemną energię do czarnej dziury, to okazuje się, że z czarnej dziury robią się gwiezdne wrota. Ta gardziel się stabilizuje i nie drga tak jak normalnie. Teoretycznie, otwiera się nam wtedy portal do innych wszechświatów.

Jest jeszcze kwestia ciemnej materii, która oddziałuje tylko grawitacyjne. To widać w obserwacjach teleskopów. Na przykład Teleskop Hubble’a robił zdjęcie zderzających się klasterów galaktyk, czyli układów kilkunastu galaktyk powiązanych ze sobą w „bańce” gazu międzygalaktycznego. Kiedy takie dwa układy się ze sobą zderzyły, to okazało się, że ciemna materia została wyrzucona na zewnątrz tego całego układu, który powstał po zderzeniu.

Był taki projekt „COSMOS”, który polegał na tym, że badano rozkład ciemnej materii w bardzo dużych skalach. Analizowano zachowanie promieni świetlnych. Projekt trwał pięć lat, kilkanaście obserwatoriów na świecie go realizowało. Okazało się, że nasz wszechświat wygląda jak gąbka, czyli są niewielkie miejsca, gdzie jest zwykła materia. Reszta to olbrzymie skupiska ciemnej materii. Najciekawsza sprawa jest taka, że tego nie widać w akceleratorach ziemskich. To nie są cząstki, które występują tutaj na Ziemi.

• Co to znaczy, że nasz wszechświat się rozszerza?

- Towarzyszy temu powstanie bardzo dużych pustek. Odległości między atomami się coraz bardziej zwiększają. Najczarniejszy scenariusz jest taki, że wszystko zaczyna się rozszerzać i te galaktyki, które są najbliżej nas, skupią się do jednej olbrzymiej galaktyki i po bardzo długim czasie przestaniemy widzieć cokolwiek. Na razie nie następuje to jednak na tyle szybko, żeby panikować.