Czy istnieje Materia w Czarnej dziurze?

Czy istnieje Materia w Czarnej dziurze? Jeśli materia w Czarnej Dziurze istnieje, to jaka jest jej postać? Być może cała pochłonięta materia przez Czarną dziurę zmienia się tylko w Informację? Być może jest tam tylko materia wyrażoną w postaci przez Informacji Pierwotnej? Czarnej Dziury fascynują nas i zaskakują jednocześnie. Nie wiele wiemy o Czarnych Dziurach, poza obliczeniami matematycznymi oraz obserwacjami astronomicznymi. Obecnie, mamy jeszcze do dyspozycji moc obliczeniową Superkomputerów, która jest w stanie zamodelować tego typu obiekty, jak Czarne Dziury.

W naszej okolicy może być 100 mln czarnych dziur. Jedno jest pewne - od przełomowego zdjęcia supermasywnej czarnej dziury w galaktyce M87, wykonanego przez Event Horizon Telescope w 2019 r., po wykrywanie fal grawitacyjnych generowanych przez ich zderzenia – nauka o czarnych dziurach rozwija się w zawrotnym tempie. Nowe technologie, takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, pozwalają nam w końcu zajrzeć w odległe zakątki Wszechświata i odkrywać czarne dziury w jego wczesnych etapach.

Dodatkowo, obecnie mamy coraz więcej wiedzy teoretycznej z obszaru astrofizyki. W ogólnej teorii względności, aby opisać czarną dziurę, wystarczy podać jej masę, moment pędu i ładunek elektryczny. Zgodnie z tą teorią czarna dziura nie zawiera żadnej informacji ponad te parametry. Do czarnej dziury wpada materia o niezerowej entropii, zatem przy wpadaniu entropia całego układu się zmniejsza. Wynika z tego, że ogólna teoria względności łamie drugą zasadą termodynamiki. Fizycy zaczęli więc poszukiwać uogólnienia teorii czarnych dziur, tak żeby pozostawała w zgodzie z termodynamiką.

W 1972 Ja’akow Bekenstein jako pierwszy w przybliżeniu określił entropię czarnej dziury. Sam koncept entropii czarnej dziury wywołał wiele kontrowersji w świecie fizyki. Najważniejszą konsekwencją przyjęcia, że czarne dziury mają entropię byłby fakt, że nie są one tak „czarne”, jak dotychczas sądzono, mają temperaturę wyższą niż zero absolutne i jak wszystkie ciała gorące muszą emitować energię.

Jednym z fizyków, którzy uważali, że Bekenstein się myli, był Stephen Hawking, który postanowił to matematycznie udowodnić. Ku własnemu zdziwieniu Hawking nie tylko potwierdził, że czarne dziury mają temperaturę, ale także dokładnie ustalił wielkość entropii czarnej dziury, jako wynoszącą jedną czwartą pola powierzchni horyzontu zdarzeń, wyrażoną w jednostkach Plancka, pomnożonego przez stałą Boltzmanna.

Jednocześnie rozważając własności procesów elektromagnetycznych i kwantowej teorii pola w sąsiedztwie horyzontu zdarzeń, doszedł on do wniosku, że powinien istnieć pewien proces kwantowy działający w nieoczekiwanym kierunku: możliwe jest „parowanie” czarnej dziury, czyli proces polegający na traceniu przez nią masy pomimo braku możliwości utraty materii. Popularne sformułowanie tego faktu głosi, że powierzchnia czarnej dziury nie jest czarna. Powinna wytwarzać promieniowanie takie, jak ciało doskonale czarne o temperaturze:

gdzie:

k – stała Boltzmanna,

M – masa czarnej dziury o średnicy D

c – prędkość światła w próżni,

ℏ – zredukowana stała Plancka,

G – stała grawitacyjna.

 l_P – długość Plancka

T_P – temperatura Plancka

Hawking, pierwotnie sceptycznie nastawiony do teorii czarnych dziur (Johna Wheelera z 1969), uznając w końcu jej słuszność, nastawił się na odnalezienie odpowiedzi na problem fundamentalny: jeżeli nic nie może się z czarnej dziury wydostać, a dokładniej z horyzontu zdarzeń czarnej dziury, to takie grawitacyjne obiekty byłyby wieczne i wraz z czasem coraz potężniejsze, aż wchłonęłyby całą materię we Wszechświecie, a w końcu pochłonęłyby siebie.

Zakładając, że z każdej ilości materii, nawet najmniejszej, można stworzyć czarną dziurę (poprzez ściśnięcie materii), fizycy doszli do wniosku, iż czarnych dziur w otaczającym nas wszechświecie powinno być o wiele więcej. Z obliczeń fizyków (m.in. Hawkinga) wynika, że niestacjonarna (obracająca się wokół własnej osi) czarna dziura musi emitować promieniowanie, co byłoby sprzeczne z jej definicją.

To hipotetyczne promieniowanie cieplne emitowane przez czarne dziury. Nazwa promieniowania pochodzi od nazwiska brytyjskiego fizyka teoretycznego Stephena Hawkinga, który opublikował teorię tego promieniowania w 1974 roku. Jak do tej pory takiej emisji nie udało się zaobserwować. Teoria ta łączy w sobie zupełnie różne opisy z zakresu ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej. A oto kolejna teoria, na temat tego, co się dzieje z materią w czarnej dziurze.

Co dzieje się z materią w czarnej dziurze? Odważna teoria

Autor: Karol Żebruń

Czarne dziury to najbardziej niezwykłe obiekty we wszechświecie. Zgodnie z naszą wiedzą poniżej horyzontu zdarzeń takiej czarnej dziury, dzieją się rzeczy, których jeszcze dobrze nie rozumiemy. Naukowcy z Uniwersytetu w Durnham i zespół DESI wpadli na odważne, ale bardzo sensowne, wyjaśnienie co dzieje się z materią pochłanianą przez czarną dziurę.

Materia w Czarnej dziurze. Co dzieje się z materią w czarnej dziurze? Czarna dziura wchłaniająca resztki gwiazdy.

Źródło: © Domena publiczna

Co znajduje się w środku czarnej dziury? Jakie procesy tam zachodzą? To pytania, które wciąż powodują zażenowanie wśród naukowców. Wiemy, że każdy obiekt, który przekroczy tzw. granicę czarnej dziury, czyli horyzont zdarzeń, nie może powrócić do naszego świata w normalny sposób. Prędkość ucieczki dla ciał wewnątrz czarnej dziury przekracza prędkość światła. To co znajdzie się w czarnej dziurze podlega ogromnej grawitacji, zakrzywiającej czasoprzestrzeń tak mocno, że jedyną droga jest opadanie w kierunku osobliwości. Punktu, w którym załamują się wszelkie znane nam prawa fizyki.

Czy jednak czarne dziury są jedynie odkurzaczami materii, które wchłaniają to co znajdzie się w ich najbliższym otoczeniu? A może ich istnienie ma większy sens, jest powiązane z mechanizmem, który wpływa na formę wszechświata i to jaki będzie w przyszłości? Odpowiedź na te pytania podjęta przez naukowców z Uniwersytetu Durnham i zespół badawczy DESI, jest bardzo ciekawa i jak się okazuje tłumaczy zagadki na jakie natknęła się ostatnio kosmologia.

Czarne dziury i ciemna energia

Czarne dziury są jednymi z tych obiektów w kosmosie, które stanowią przyczynek do niewidocznej masy. Nieznaczny, ale uwzględniany wśród kandydatów na tzw. ciemną materię. Jednakże nasza wiedza o budżecie energia-masa wszechświata zakłada, że znakomitą większość, czyli prawie 70 proc., stanowi ciemna energia. Hipotetyczna, ale bardzo istotna w obecnym standardowym modelu kosmologicznym wszechświata, który się rozszerza, a ta ekspansja ulega przyśpieszeniu.

Materia w Czarnej dziurze. Obserwatorium Kitt Peak, gdzie realizowany jest program DESI.

Źródło: © NOIRLab

Dotychczas zakładano, że w tym modelu, pod nazwą Lambda-CDM, składnik jaki stanowi ciemna energia jest stały. Jednakże obserwacje głębokiego kosmosu w ramach projektu DESI, czyli Dark Energy Spectroscopic Instrument, doprowadziły do wniosku, że ciemna energia nie jest stała w czasie. Na dodatek obserwacje kosmicznego tła mikrofalowego i odległych, ale pobliskich w kosmicznej skali, galaktyk, dają różne wartości tempa ekspansji wszechświata. To wielka zagadka, ale okazuje się, że z pomocą w jej wyjaśnieniu mogą przyjść właśnie czarne dziury.

Zaproponowano model, który łączy obserwacje DESI i CMB (kosmicznego tła mikrofalowego). Zgodnie z nim w trakcie zapadania się gwiazdy do czarnej dziury, aktywuje się proces przekształcania spadającej materii w ciemną energię. Konsekwencje takiego zachowania są zgodne z rozbieżnościami, które właśnie tak kłopoczą kosmologów. Ciemna energia, która powstaje w czarnych dziurach, podlega stałym zmianom. Takie zachowanie jest potrzebne nie tylko, by wyjaśnić obserwacje. A także, by masa neutrin była dodatnia. Przy stałej ciemnej energii, masa ich musiałaby być ujemna, a to jest trudne do pogodzenia z obecną fizyką. Zakłada ona, że masa neutrin stanowi istotny wkład do całej masy wszechświata.

Propozycja roli czarnej dziury jako fabryki ciemnej energii jest odważną propozycją, która może zrewolucjonizować nasze rozumienie wszechświata. Jej plusem jest fakt, że wyjaśnia wiele narosłych w ostatnich latach rozbieżności. Czy jednak wszystko wzięto pod uwagę? Na to pytanie odpowiedź jest i pozostanie bardzo trudna.

Źródło: Co dzieje się z materią w czarnej dziurze? Odważna teoria

Czy Czarne Dziury mogą być generatorami Ciemnej Energii? Wydaje się, że jest to jedna z koncepcji, która niestety nie jest weryfikowalna - jak na razie. Dla dzisiejszej Kosmologii, Ciemna Energia jest wygodnym wytłumaczeniem. Ciemna Energia to hipotetyczna forma energii, która wypełnia całą przestrzeń i wywiera na nią ujemne ciśnienie, przyspieszając tempo rozszerzania się Wszechświata. Jest to jedno z pojęć wprowadzonych w celu wyjaśnienia przyspieszania ekspansji kosmosu oraz problemu brakującej masy we Wszechświecie. Wyniki badań opublikowane w 2011 wydają się potwierdzać istnienie ciemnej energii.

Według naszej Koncepcji ToE–Przestrzeni Kwantowej, podstawą do opisu Wszechświata jest Informacja - to Informacja Pierwotna, w odróżnieniu od pojęcia "informacji" w naszym rozumieniu. To informacja mogła być w pierwszym momencie istnienia naszego Wszechświata. W pierwszym momencie, kiedy jeszcze nie istniały cząstki elementarne. Informacja Pierwotna stanowi połączenie rzeczywistości pierwszego momentu istnienia oraz rzeczywistości dla chwili teraźniejszej - dla naszego Tu i naszego Teraz. Informacja Pierwotna stanowi spójny i ciągły opis Rzeczywistości - od pierwszego momentu istnienia, aż do upadku Wszechświata - aż po granice Wszechświata, gdziekolwiek one są.

Co się zatem dzieje z informacją w czarnej dziurze? Czy ta informacja może być użyteczna? Czy Hawking rozwiązał paradoks informacji? Kiedy materia opada do wnętrza czarnej dziury, przekracza horyzont zdarzeń, informacja o niej znika bezpowrotnie. Tak przynajmniej przez wiele lat się wydawało, wszak zza horyzontu zdarzeń nigdy już żadna materia na zewnątrz się nie wydostaje. Stephen Hawking podejrzewał jednak, że informacja może jednak przetrwać nawet w takim miejscu, jak bezpośrednie otoczenie czarnej dziury. Jeśli informacja może interpretować materię, to co wówczas? Czy Materia w Czarnej dziurze staje się informację?

Promieniowanie Hawkinga powstaje tuż ponad horyzontem zdarzeń i jego istnienie nie zaprzecza w żaden sposób regule, że nic nie może się wydostać z czarnej dziury, ale jego odkrycie spowodowało kolejną rewolucję w fizyce. Ponieważ czarna dziura promieniuje energię, traci ona przez to masę i po upływie odpowiednio długiego czasu izolowana czarna dziura wypromieniuje całą swoją energię i zniknie. Według jednak cytowanego artykułu, może się okazać, że czarna dziura jest generatorem ciemnej energii. Czy ta teza okaże się w przyszłości słuszna?

Materia w Czarnej dziurze - według naszej koncepcji

Powszechnie uznaje się, że Czarną dziurę otacza matematycznie zdefiniowana powierzchnia nazywana horyzontem zdarzeń, która wyznacza granicę bez powrotu. Oznacza to, że informacja o materii i energii znika bezpowrotnie po przekroczeniu horyzontu zdarzeń. Według naszej Koncepcji ToE–Przestrzeni Kwantowej, informacja odgrywa kluczową rolę. Opis naszego Wszechświata dokonuje się za pomocą Informacji Pierwotnej. Zakładamy, że jeśli nasz Wszechświat miał swój początek, to na początku była właśnie Informacja Pierwotna. To Informacja jest atrybutem, który jednoznacznie może opisać zarówno pierwszy moment naszego istnienia jak i naszą teraźniejszą chwilę.

Zakłada się, Czas nie istniał przed Wielkim Wybuchem, ale zaczął się wraz z nim, dlatego nie można mówić o czymś „przed” początkiem Wszechświata, natomiast kwestią do dyskusji jest mechanizm lub „przyczyna” Wielkiego Wybuchu, w szczególności w związku z pojawiającą się w teoriach możliwością istnienia początkowej osobliwości. Zobacz artykuł interpretacja osobliwości według naszej koncepcji. Nasza koncepcja zakłada, że Czarna Dziura "pochłania" informację. Na terenie Czarnej Dziury znajduje się zgromadzony "czas". Oczywiście pojęcie czasu jest tutaj rozumiane według naszej koncepcji.

Materia w Czarnej dziurze. Nasza interpretacja Czarnej Dziury zakłada, że poza Horyzontem Zdarzeń znajduje się Informacja Pierwotna. Ta informacja Pierwotna posiada dane, które interpretują cały zgromadzony "czas" istnienia naszego Wszechświata - od jego powstania, aż do jego zapadnięcia się. Oznacza to, że zgromadzona Informacja Pierwotna na terytorium Czarnej Dziury może odtworzyć nasz Wszechświat. Analogicznie można to porównać do pamięci komputera, który przechowuje informacje o Wszechświecie.

Nasza Koncepcja ToE–Przestrzeni Kwantowej, odwołuje się do Przestrzeni Kwantowej, która interpretowana jest jako środowisko. Środowisko to, może zaoferować nam możliwość istnienia, interpretację czasu, interpretację materii oraz interpretację grawitacji. Poza tym środowiskiem, żadne z wymienionych atrybutów nie może egzystować. Nazwaliśmy to środowisko Praprzyczyną Wszystkiego. Praprzyczyna Wszystkiego jest interpretacją Osobliwości Inicjalnej. Na terenie "wnętrze" Czarnej Dziury dokonuje się podobna osobliwość. Czy to zatem oznacza, że Czarna Dziura jest "przejściem" do innego Wszechświata?

Nasz Wszechświat posiada w swoich zasobach supermasywne Czarne Dziury. Zostały one zaobserwowane między innymi przez Kosmiczne Teleskopy – a właściwie obserwujemy tylko pośrednio wpływ takich obiektów. Nie mamy obecnie dokładnej wiedzy ile takich obiektów może istnieć. Obecnie udało nam się zaobserwować 25 000 supermasywnych czarnych dziur. Potencjalnie, każda taka supermasywna czarna dziura – Według naszej Koncepcji ToE–Przestrzeni Kwantowej, może przypominać inny Wszechświat.

Czy to może oznaczać, że Czarne dziury są bramą do innych Wszechświatów? Czy "pochłonięta" informacja przez Czarną dziurę może stanowić budulec dla innego Wszechświata? Z naszego punktu widzenie dokonuje się wówczas ekspansja Wszechświata we wnętrzu czarnej dziury. Taką ekspansję nazywany Ekspansją Wertykalną. Supermasywne Czarne Dziury pojawiają się w czasie Ekspansji Horyzontalnej Wszechświata – dowolnego Wszechświata. Jednak z jakiegoś powodu w czasie Ekspansji Wszechświata (horyzontalnej), pojawia się jakaś kolizja, defekt, kolaps, który wygeneruje rozwidlenie bieżącego Wszechświata do innej jego wersji. Wersja ta znajduje się we wnętrzu Czarnej Dziury.

Materia w Czarnej dziurze. Według naszej Koncepcji Ekspansji, w naszym Wszechświecie występują dwa typy ekspansji: Ekspansja Wertykalna i Ekspansja Horyzontalna. Ekspansja Wertykalna dokonuje się wewnątrz Czarnej Dziur (z naszego punktu widzenia). Ekspansja horyzontalna dokonuje się w naszym Wszechświecie.

Na ilustracji powyżej przedstawiliśmy dwa typy ekspansji. Ekspansja wertykalna to ekspansja, która dokonuje się wewnątrz Czarnej Dziury - z naszego punktu widzenia. Oznacza to, że pochłaniana informacja z naszego Wszechświata może być budulcem dla innego Wszechświata. Dlaczego tak może być. Dlaczego informacja jest pochłaniana?

Z naszego punktu widzenie dokonuje się wówczas ekspansja Wszechświata we wnętrzu czarnej dziury. Taką ekspansję nazywany Ekspansją Wertykalną. Supermasywne Czarne Dziury pojawiają się w czasie ekspansji horyzontalnej Wszechświata – dowolnego Wszechświata. Jednak z jakiegoś powodu w czasie Ekspansji Wszechświata (horyzontalnej), pojawia się jakaś kolizja, defekt, kolaps, który wygeneruje rozwidlenie bieżącego Wszechświata do innej jego wersji. Wersja ta zostanie umieszczona we wnętrzu Czarnej Dziury.

Aby jednak środowisko rozwijane we wnętrzu Supermasywnej Czarnej Dziury miało możliwość rozwoju, układy Wszechświatów, muszą być odseparowane. Czarna Dziura spełnia rolę separatora pomiędzy Wszechświatami Równoległymi. Innymi słowy, Czarna Dziura jest mostem pomiędzy Wszechświatami, które funkcjonują obok nas. Informacja o kreacji, odtworzeniu kolejnego Wszechświat jest oddzielona horyzontem zdarzeń Czarnej Dziury. Horyzont zdarzeń nie pozwoli na zabrudzenie danych (Informacji Pierwotnej), dlatego separuje dane dla nowego Wszechświat od Informacji Pierwotnej starego Wszechświata.

Koncepcja Wieloświatów według naszej Koncepcji ToE–Przestrzeni Kwantowej, zakłada istnienie Wszechświata we wnętrzu Czarnej Dziury. Jest to odpowiedź na zniwelowanie błędu krytycznego, jak pojawił się w procesie Ekspansji Horyzontalnej naszego Wszechświata. Ten mechanizm powoduje, że nasz Wszechświat jest kolejną wersją siebie i mógł dotrwać jakieś 13,82 mld lat. Jeszcze jedna aspekt sprawy, który oczywiście rozwiniemy w kolejny wpisie. Problem Inflacji kosmologicznej. 

Supermasywna Czarna Dziura „pochłania” informacje z miejsca, w którym wygenerowała się błąd krytyczny. Oznacza to, że we wczesnym istnieniu nowego Wszechświata we wnętrzu czarnej dziury znajdują się dane historyczne, które opisują błąd krytyczny z poprzedniego Wszechświata. Tych danych jest bardzo dużo, upakowanych w jednym miejscu. Można to właśnie porównać do stanu Wszechświata w momencie Inflacji kosmologicznej. Taki stan (Inflacja kosmologiczna) może znajdować się właśnie w Czarnej Dziurze.

Marek Ożarowski