Spis treści

Karta redakcyjna

Dedykacja

Wstęp

1. Grawitacja: przyciąganie powszechne

Spadanie i swoboda

Energia i grawitacja

Ciemne dziury

2. Szczególna teoria względności

Względność ruchu

Układy inercjalne

Zasada względności

Czy Kopernik miał rację?

Przejście z jednego układu inercjalnego do drugiego: przekształcenia

Rewolucja Einsteinowska

Światło

Czas zmieniony

Przestrzeń skrócona

Czasoprzestrzeń

Horyzont

3. Grawitacja relatywistyczna

Zasada równoważności

Winda Einsteina

Zasady równoważności: silna i ultrasilna

Grawitacja prawdziwa

Przesunięcie ku czerwieni

Spowolnienie i zatrzymanie zegarów

Czasoprzestrzeń zakrzywiona

Zakrzywiona, ale lokalnie płaska

W obecności grawitacji czasoprzestrzeń jest zakrzywiona

Grawitacja relatywistyczna: ogólna teoria względności

4. Czarne dziury

Kartografia czasoprzestrzenna

Promień Schwarzschilda

Powierzchnia

Zapadająca się czasoprzestrzeń

Horyzont i łyse czarne dziury

Obrót czarnej dziury i obrót przestrzeni. Dziura we Wszechświecie

Orbity kołowe

5. Interludium w niepewności: czarne dziury i kwanty

6. O czarnych dziurach, grawitacji i kwantach

Czy czarne dziury mają temperaturę?

Promieniowanie Hawkinga

Zagubiona informacja

Gwiazdy neutronowe

7. Pochodzenie czarnych dziur

Czarne dziury wkraczają do astronomii

Pulsary

Kwazary

Rentgenowskie układy podwójne

Ewolucja gwiazdowa: moc przeznaczenia

Prawdziwe życie gwiazd

Wybuch końcowy: supernowe i gwiazdy neutronowe

Czarne dziury o masach gwiazdowych

Pierwsze gwiazdy, pierwsze czarne dziury

Pośrednie i super

8. W poszukiwaniu czarnych dziur

Moc spadku: akrecja

Wydajność akrecji

Dyski akrecyjne

Moc

Widmo promieniowania

Rentgenowskie układy podwójne

Masy zwartych ciał niebieskich

Czy jest powierzchnia?

ADAF-y

Spokojne czarne dziury

Centrum Galaktyki

Zobaczyć czarną dziurę

Czarne dziury i fale grawitacyjne

Coda

Leksykon terminów fizycznych

Lektury uzupełniające

Przypisy

© Copyright by Copernicus Center Press, 2022

Copyright © ODILE JACOB, 2010

Tytuł oryginalny
La science des trous noirs

Translation copyright © 2022 by Jean-Pierre Lasota

Redakcja i korekta
Mirosław Ruszkiewicz

Projekt okładki i stron tytułowych
Michał Duława

Grafika na okładce
© Jeremy Perkins / Unsplash

Skład
MELES-DESIGN

ISBN 978-83-7886-630-5

Wydanie I

Kraków 2022

Copernicus Center Press Sp. z o.o.
pl. Szczepański 8, 31-011 Kraków
tel. (+48) 12 448 14 12, 500 839 467
e-mail: marketing@ccpress.pl
Księgarnia internetowa: http://ccpress.pl

Konwersja: eLitera s.c.

Pamięci Jeana-Alaina Marcka

Wstęp

Mimo bardzo trudnych początków pojęcie czarnej dziury zrobiło niebywałą karierę. Głośno o nich w mediach zarówno prasowych, jak i społecznościowych, przeszły do języka potocznego, występują w filmach i powieściach. Wreszcie w 2020 roku Nagroda Nobla z dziedziny fizyki została przyznana za badania teoretyczne i obserwacyjne nad czarnymi dziurami. Był to pierwszy Nobel za teorię względności (z której istnienie czarnych dziur wynika). Zdziwiłoby to bardzo Einsteina, który za swoją teorię nagrody nie dostał, a czarne dziury traktował bardzo podejrzliwie i do końca życia nie wierzył w ich istnienie. Nie wierzył też w istnienie (również z jego własnej teorii wynikające) fal grawitacyjnych. Zatem odkrycie w 2015 roku promieniowania grawitacyjnego wysłanego przez dwie zlewające się czarne dziury było wielkim zwycięstwem teorii Einsteina nad jego wątpliwościami.

Wielu fizyków podzielało te wątpliwości; zarówno czarne dziury, jak i fale grawitacyjne miały złą reputację jako nierealistyczne, wręcz żenujące rozwiązania równań ogólnej teorii względności Einsteina – wspaniałej, ale wyraźnie, jak się wtedy wydawało, nikomu niepotrzebnej. Dopiero w latach sześćdziesiątych XX wieku zrozumiano wreszcie, czym są czarne dziury, i zaczęto odkrywać możliwość ich istnienia w jądrach galaktyk oraz rentgenowskich układach podwójnych. Podobnie było z falami grawitacyjnymi, choć na ich bezpośrednie odkrycie trzeba było poczekać prawie pół wieku.

Czarne dziury są więc (prawie) częścią naszego życia codziennego. Ale niezupełnie, ponieważ w świadomości społecznej wciąż funkcjonują głównie jako potwory, zdolne lada chwila połknąć cały Wszechświat. W najlepszym przypadku uważane są za egzotyczne twory, których natury nie da się zrozumieć. Niniejsza książeczka ma na celu zadać kłam takim przesądom i wytłumaczyć w najprostszy możliwy (bez wzorów!) sposób, czym są czarne dziury i jak się je bada oraz obserwuje. Bo można to zrobić.

Nie ma jednak królewskiej drogi do czarnych dziur, tak jak nie ma jej do geometrii. A zrozumieć czarne dziury to zrozumieć geometrię. Z tym, że w odróżnieniu od historii o królu Ptolemeuszu i Euklidesie[1] chodzi o geometrię nieeuklidesową, gdyż to w nią wciela się einsteinowska grawitacja, której czarna dziura jest najczystszym tworem. Oczywiście nie będzie tu wykładu ani z geometrii, ani z teorii względności. Postaram się jednak poprowadzić czytelnika drogą do czarnych dziur, przedstawiając mu w sposób prosty (czasem, niestety, zbyt prosty) informacje niezbędne do zrozumienia, czym są te twory czystej grawitacji.

Będziemy posuwać się stopniowo, badając różne tropy, trochę jak w powieści detektywistycznej, w której od początku wiemy, kim jest morderca, nie wiedząc jednak, czy ani jak zapłaci za swoją zbrodnię. Ale w odróżnieniu od autora kryminału nie będę się starał mylić tropów – są już wystarczająco zagmatwane przez samą naturę tematu, tak odległego od intuicji naszego życia codziennego.

W Encyklopedii PWN można przeczytać, iż czarna dziura to „obiekt będący źródłem na tyle silnego pola grawitacyjnego, że niemożliwe jest przesłanie przezeń na zewnątrz żadnej informacji”; a później, że „Według ogólnej teorii względności czarna dziura jest zamkniętym obszarem czasoprzestrzeni, którego nie może opuścić ani promieniowanie, ani cząstki o różnej od zera masie spoczynkowej; proces odwrotny jest możliwy”. Niby proste (i prawdziwe), ale chciałoby się zrozumieć na przykład, jak „na tyle silna” grawitacja powstrzymuje światło przed ucieczką i co to znaczy, że obiekt jest obszarem czasoprzestrzeni. Przekonamy się, że intuicja, zgodnie z którą grawitacja zatrzymuje światło, jest fałszywa. Trzeba nam będzie podążyć innym tropem, który zaprowadzi nas do krainy teorii względności Einsteina, zadziwiającego świata wielkich prędkości i przyspieszeń oraz silnej grawitacji. Pójście tą drogą to konieczność, bo czarna dziura jest z natury tworem relatywistycznym.

Bohaterkami naszej opowieści będą grawitacja i światło. Grawitacja jest uniwersalną siłą – a raczej, jak to wolą teraz mówić fizycy, „oddziaływaniem” – utrzymującą nas na powierzchni Ziemi, Księżyc na orbicie wokół niej i obydwa te ciała niebieskie w ruchu wokół Słońca. Również dzięki niej gwiazdy krążą w odmęcie Galaktyki i to ona kontroluje ekspansję Wszechświata. Światło natomiast jest uniwersalne przez swoją niewzruszoną prędkość, niezmienną względem wszystkich ruchów, stałą przyrody. Grawitacja rządzi przestrzenią i czasem; światło przędzie ich kształty. Czarna dziura jest najczystszym i najbardziej spektakularnym wytworem ich związania. Pozostaje jednocześnie obiektem zainteresowania astrofizyków, gdyż przyciągając okoliczną materię, bywa jednym z najpotężniejszych źródeł energii we Wszechświecie i najpotężniejszym, gdy dwie czarne dziury łączą się w jedną.

Michel Cassé przekonał mnie do napisania tej książki i podtrzymywał na duchu podczas jej pisania. Bez niego by ona nie powstała. Agnieszka Kołakowska, w oryginalnej, francuskiej wersji książki, cierpliwie poprawiała błędy i znajdywała niejasne fragmenty, których poprawienia bezlitośnie się domagała. Jestem jej nieskończenie wdzięczny. Dziękuję serdecznie Séverine Perrier, Jeanowi-Pilippe’owi Uzanowi i Elisabeth Vangioni za komentarze oraz rady. Aleksandra Olejak wykonała specjalnie dla polskiego wydania ilustrację przedstawiającą ewolucję gwiazdową pierwszego źródła fal grawitacyjnych GW150914. Bardzo jej za to dziękuję.

Dedykuję tę książkę pamięci Jeana-Alaina Marcka, człowieka niezwykłego i wielkiego znawcy czarnych dziur.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

Przypisy

[1] Według Proklosa z Licji: „Opowiadają, że pewnego dnia Ptolemeusz zapytał Euklidesa, czy nie ma krótszej drogi do poznania geometrii niż przez »Elementy«. Na co Euklides mu odpowiedział, że w geometrii nie ma drogi królewskiej”.