Wiemy wszystko o czarnej dziurze. Wszystko co się da

Po raz pierwszy astronomowie zdołali precyzyjnie opisać czarną dziurę. To nie lada osiągnięcie, bo przecież nie może się z niej wydostać nic - ani światło, ani informacja. Jak to zrobili?

Cygnus X-1 (Łabędź X-1) to tzw. rentgenowski układ podwójny, odkryty w 1964 roku, który od lat stanowił wielką zagadkę. Choć obiekt ten położony jest w gwiazdozbiorze Łabędzia - 6070 lat świetlnych od Ziemi - to stanowi najsilniejsze źródło promieniowania rentgenowskiego, jakie znamy.

Cygnus X-1 stał się słynny, gdy został przedmiotem zakładu* między astrofizykami Stephenem Hawkingiem a Kipem Thorne. Poszło o to, czy Cygnus X-1 zawiera czarną dziurę, czy nie. Co prawda w 1990 roku Hawking przyznał, że czarna dziura w Cygnusie X-1 jest i Thorne miał rację, ale dokładna natura obiektu wciąż pozostawała nieznana.

Z resztą z czarnymi dziurami od dawna były problemy. Jak pisze Stephen Hawking w swojej książce "Krótka historia czasu":

Czarne dziury stanowią jeden z tych nielicznych wypadków w historii nauki, gdy teoria została szczegółowo rozwinięta jako czysto matematyczny model, zanim pojawiły się jakiekolwiek obserwacyjne dowody jej poprawności. Ten fakt stanowił główny argument przeciwników koncepcji czarnych dziur: jakże można wierzyć w istnienie obiektów, za którymi przemawiały wyłącznie rachunki, oparte na tak wątpliwej teorii, jak ogólna teoria względności? - pytali.

To ciekawe pytanie zważywszy, że na świecie istnieje około 10 tysięcy wyznań i religii, a wedle zgrubnych szacunków przynajmniej 6 miliardów ludzi wyznaje któreś z nich. Z łatwością przychodzi nam więc wiara w coś, na co nie mamy najmniejszego śladu dowodu, a jednocześnie skłonni jesteśmy kwestionować istnienie obiektów, za którymi przemawia twarda matematyka.

Wiruje i świeci

Na szczęście dane doświadczalne dogoniły teorię - między innymi za sprawą Cygnusa X-1. Odkryto bowiem układy podwójne gwiazd, w których mały niewidoczny towarzysz wysysał z większej gwiazdy materię. Ta spadając na jego powierzchnię układała się w kształt wiru - zupełnie jak woda spływająca z wanny. I zupełnie jak woda poruszała się tym szybciej, im bliżej celu była. Taka spadająca materia nagrzewa się i zaczyna emitować promieniowanie rentgenowskie. Strumień takiego promieniowania dociera z Cygnusa X-1 do Ziemi - stąd właśnie tak silnie "świecenie" tego obiektu.

Dlaczego taki mechanizm dowodzi istnienia czarnych dziur? Dlatego, że takie wirowanie, nagrzewanie się i emisja promieniowania może mieć miejsce tylko wtedy, gdy obiekt zasysający materię jest jednocześnie bardzo mały i ma ogromną masę. Tak mały rozmiar i tak wielką masę może mieć (ze znanych nam obiektów) tylko czarna dziura.

Stopniowo udało się zdobyć więcej pośrednich dowodów na istnienie czarnych dziur - obserwując m.in. sposób, w jaki odchylają światło gwiazd.

Co wiemy o dziurze?

Badania czarnych dziur nastręczają jednak mnóstwa problemów - w końcu z czarnej dziury nie może się wydostać żadna informacja (nie licząc tak zwanego promieniowania Hawkinga - teorii mówiącej o bardzo powolnym parowaniu czarnych dziur). Ponieważ obiekty te tak zazdrośnie strzegą swych tajemnic, to możemy dowiedzieć się o nich tylko trzech rzeczy - poznać ich masę, prędkość obrotu oraz ładunek elektryczny. Ładunek czarnej dziury w Cygnusie X-1 jest bliski zeru, wiec wystarczyło tylko zbadać masę i obroty. Stało się to możliwe dzięki równoczesnemu zastosowaniu kilku obserwatoriów - m.in. teleskopu kosmicznego Chandra, Rossi X-ray Timing Explorer i ASCA.

Czego zdołaliśmy się dowiedzieć? Że Cygnus X-1 to układ podwójny błękitnego nadolbrzyma i czarnej dziury, która "wysysa" materię z towarzyszącej jej gwiazdy. Masa czarnej dziury wynosi 15 mas Słońca, a jej prędkość obrotu to 800 razy na sekundę. W kosmicznej skali Cygnus X-1 jest całkiem młodziutki - ma zaledwie 6 milionów lat. Co ciekawe badanie układu wskazuje, że czarna dziura nie powstała, jak to zwykle się dzieje, w wyniku wybuchu supernowej.

* Co było wygraną w zakładzie? Hawking miał otrzymać czteroletnią prenumeratę pisma "Private Eye", Thorne roczną prenumeratę miesięcznika "Penthouse".