Miniaturowe czarne dziury

Czym są miniaturowe czarne dziury?

Terminem „czarna dziura” zwykło się określać obiekty o masie tak dużej, że ich prędkość ucieczki przekracza prędkość światła. Co za tym idzie, nic, nawet światło, dostawszy się w strefę oddziaływania czarnej dziury, nie jest w stanie się z niej wydostać. Opisem tych zjawisk zajmował się Albert Einstein (ich istnienie wynika z Ogólnej Teorii Względności); wiedzy na temat czarnych dziur dostarcza również mechanika kwantowa. Nadal jednak nie udało się stworzyć kompletnego modelu opisującego ich działanie — teoria kwantowej grawitacji ma przynieść odpowiedź na wiele pytań.

Zgodnie z obecnym stanem wiedzy, wszystkie czarne dziury mają kilka cech wspólnych: posiadają swoją masę, moment pędu i ładunek, w ich centrum znajduje się osobliwość. Każda z nich zanika wypromieniowując energię zwaną promieniowaniem Hawkinga; dla większości z nich czas całkowitego zaniku przekracza jednak wiek Wszechświata. Przestrzeń zakrzywianą przez grawitację czarnej dziury nazywa się nazywa się ergosferą, a powierzchnię w czasoprzestrzeni, spoza której nie może wydostać się żadna informacja (np. światło) — horyzontem zdarzeń.

Stosunkowo dobrze poznano również powstawanie czarnych dziur. Duża ich część stanowi końcowe stadium ewolucji gwiazd o masie większej niż 20 mas Słońca. Inne, zwane pierwotnymi czarnymi dziurami, narodziły się tuż po Wielkim Wybuchu na skutek działania bardzo wysokiego ciśnienia. Pozostałe tworzą się najczęściej na skutek zderzeń masywnych ciał niebieskich takich jak gwiazdy neutronowe lub nawet gromad gwiazd. Tzw. supermasywne czarne dziury znajdują się prawdopodobnie w centrum wielu galaktyk, w tym Drogi Mlecznej.

Miniaturowe czarne dziury pod wieloma względami bardzo różnią się od opisanych powyżej zjawisk. Przede wszystkim ich istnienie jest uwarunkowane działaniem silnych oddziaływań jądrowych, nie grawitacji. W przeciwieństwie do innych czarnych dziur ewaporują bardzo szybko — w 10⁻²⁷ sekundy; jest to związane z ich bardzo niewielką masą, zbliżoną do masy Plancka. Nadal jednak powodują te same efekty co ich bardziej masywne odpowiedniki — pochłaniają materię, która znajdzie się w strefie ich oddziaływania.

Miniaturowe czarne dziury powstają na skutek zderzenia dwóch cząstek elementarnych obdarzonych ogromnymi energiami. Anihilując emitują wszystkie rodzaje cząstek. W detektorze cząstek obraz przypominałby ten po zderzeniu cząstek złota (patrz ryc. poniżej).

Cząstki powstałe w wyniku zderzenia atomów złota w detektorze RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) w Upton. Podobny obraz powstałby podczas anihilacji miniaturowej czarnej dziury.

Dotychczas ustalono dwie sytuacje, w których powstać mogą tego typu obiekty. Według modeli teoretycznych do ich wystąpienia potrzebne są energie nie tylko niemożliwe do uzyskania przez człowieka, ale także nie występujące właściwie w przyrodze, dlatego by mówić o takim zjawisku, należy przyjąć dodatkowe założenia, sformułowane w teorii membran. Jest to kosmologiczna teoria, stosowana również w fizyce cząstek elementarnych, pochodząca od teorii strun. Zakłada ona, że czterowymiarowa czasoprzestrzeń, w której żyjemy, jest membraną rozpiętą w wielowymiarowym wszechświecie. Jest o tyle atrakcyjna, że w dość prosty sposób wyjaśnia słabość grawitacji w porównaniu z silnymi i słabymi odziaływaniami jądrowymi oraz siłą elektromagnetyczną. Pozostałe trzy siły występują wyłącznie na membranie, natomiast oddziaływania grawitacyjne dotyczą również pozostałych wymiarów.

Pierwszy możliwy scenariusz zakłada powstawanie miniaturowych czarnych dziur jako efektów kontrolowanych zderzeń cząstek elementarnych w akceleratorach. Na dzień dzisiejszy (koniec 2007r.) takiego zjawiska nie zaobserwowano, jednak CERN-owski LHC (Large Hadron Collider — Wielki Zderzacz Hardonów), którego uruchomienie planuje się na maj 2008 roku ma pozwalać na osiaganie energii tak dużych, że co sekundę w wyniku zderzeń powstawałaby nowa czarna dziura.

Drugi wariant związany jest z promieniowaniem kosmicznym. Są to wysokoenergetyczne cząstki, głównie protony, pochodzące głównie od gwiazd neutronowych, supernowych, czarnych dziur, radiogalaktyk, kwazarów i Słońca. W dużych ilościach wchodzą one w ziemską atmosferę, zapoczątkowując szereg reakcji, podczas których powstają nowe cząstki i duże ilości energii (nie wspominając o raku, mutacjach, chorobach neurologicznych i zmianach klimatycznych; wydaje się, że znaleziono winnego wszystkich problemów świata). Cząstki o największej energii w wyniku zderzenia z atomami ziemskiej atmosfery mają tworzyć miniaturowe czarne dziury w ilości około stu rocznie.

Zjawisko Centaura

Trzydzieści pięć lat temu wydawało się, że ostatecznie znaleziono dowód na istnienie miniaturowych czarnych dziur, a co za tym idzie — potwierdzono teorie wyższych wymiarów. W 1972 roku międzynarodowa grupa naukowców — Theodore Tomaras z Uniwersytetu w Heraklionie, Andriej Mironow i Aleksiej Morozow (Rosja) na podstawie analizy odczytów z detektorów w Boliwii i Tadżykistanie zanotowali ponad 40 nietypowych przypadków. Charakteryzowała je duża asymetria kształtu promieni — o wiele więcej cząstek pojawiało się w dolnej części detektora. Zjawisko to nazwano zjawiskiem Centaura — mitologicznego stworzenia o ciele konia i smukłym tułowiu człowieka.

Typowy obraz w detektorze promieniowania kosmicznego

Obraz powstały w wyniku tzw. zjawiska Centaura

Komputerowe modele odczytu produktów rozpadu miniaturowej czarnej dziury pokryły się z wynikami obserwacji, więc naukowcy ogłosili swój sukces. Niedługo później okazało się, że istnieje o wiele prostsze wyjaśnienie niezwykłych wyników odczytu — „głowa” i „ciało” strumienia mogą pochodzić z różnych źródeł. Niestety, na ostateczne potwierdzenie istnienia miniaturowych czarnych dziur przyjdzie poczekać do analizy pierwszych danych z LHC… albo i dłużej.

Czy coś nam grozi?

Miniaturowe czarne dziury, jak wszystko nie do końca poznane i zdefiniowane, budzą z jednej strony zainteresowanie, a z drugiej strony — lęk. Pojawiają się już apokaliptyczne wizje miniaturowych czarnych dziur opuszczających akcelerator, pochłaniających wszystko, co znajdzie się na ich drodze i dążących w prostej linii do zagłady Ziemi. Nie ma jednak żadnych podstaw do niepokoju — są to twory tak nietrwałe, że w ułamku sekundy po powstaniu już by ich nie było. A nawet gdyby stanowiły jakiekolwiek zagrożenie — człowiek stworzył już tyle wymyślnych sposobów na niszczenie wszystkiego wokół, że jeden więcej nie powinien chyba robić większej różnicy.