Fizycy z Uniwersytetu Stanowego w Sao Paulo proponują nową teorię, która może zmienić nasze zrozumienie czarnych dziur. George Matsas i Andre da Silva sugerują, że mechanizmy kwantowe mogą pozwolić na rozszczepienie osobliwości czarnych dziur, które dotychczas były ukryte za horyzontem zdarzeń. Ich badania wskazują, że szybko obracające się czarne dziury mogą utracić swój horyzont, co umożliwiłoby obserwację tych tajemniczych struktur. Choć teoria ta stawia nowe pytania dotyczące kosmicznej cenzury, badacze podkreślają, że potrzebne są dalsze badania, aby zrozumieć implikacje grawitacji kwantowej.

"Mechanizmy kwantowe mogłyby rozszczepić elementarną cząstkę czarnej dziury i ujawnić tkwiącą w jej sercu tajemniczą i niewidoczną osobliwość", powiedzieli George Matsas i Andre da Silva z Uniwersytetu Stanowego w Sao Paulo w Brazylii.

Długo podejrzewano, że te osobliwości - w których znane prawa fizyki są łamane - są zawsze ukryte za "horyzontem zdarzeń", granicą, poza którą światło nie może uciec od grawitacyjnego przyciągania czarnej dziury. Teoretycznie na horyzoncie wydarzenia nic nie może zostać dostrzeżone bądź zbadane przez zewnętrznego obserwatora, ponieważ nie wydostaje się stamtąd żadne światło. Tak więc te osobliwości pozostają oddzielone od reszty wszechświata.

To jest podobne do tego, co fizyk Roger Penrose nazwał w 1969 roku "kosmiczną cenzurą", która chroni nas przed koniecznością przyglądania się czemuś, o czym nie ośmielilibyśmy sie nawet pomyśleć. Według ogólnej teorii względności Einsteina wewnątrz czarnej dziury jej ciągłe załamania tworzą nieskończenie mały i nieskończenie gęsty punkt, w którym sama przestrzeń jest załamana. Nawet przyczynowość - relacja między przyczyną a skutkiem - jest załamana, co wydaje się przeciwstawiać nie tylko fizyce, ale i logice. "Motywacja Penrose'a wydawała się zachowywać przyzwoitość fizyki", powiedział Matsas.

Fizycy zastanawiali się jednak, czy horyzonty zdarzeń są na tyle rozszczepione, aby ogołocić te absurdalne osobliwości. Na przykład może być tak, że horyzont zdarzeń mógłby zaniknąć, gdyby czarna dziura obracała się bardzo szybko. Światło i materia mogłyby zostać wtedy wyrzucone przez siłę odśrodkową.

"Powszechnie sądzi się, że grawitacja kwantowa odsłoni strukturę osobliwości"

We wrześniu fizycy Arlie Peters w Duke University w Durham (North Carolina, USA) i Marcus Werner z Uniwersytetu w Cambridge (Wielka Brytania) zaproponowali, że rozpad osobliwości wywołany przez szybką rotację powinien być wykrywany przez astronomów, ponieważ rozpady takie przypominają bardzo silne "soczewki grawitacyjne", uginające światło pochodzące od gwiazd poprzez wypaczenie czasoprzestrzeni. Peters i Werner powiedzieli, że istniejące teleskopy powinny mieć dostateczną rozdzielczość przestrzenną, by wykryć obnażone osobliwości wewnątrz naszej galaktyki.

Jak jednak czarna dziura może się obracać tak szybko, by obnażyć swoje serce? W latach siedemdziesiątych wykazano, że szybkość wirowania czarnej dziury nie może zostać zwiększona dzięki wchłanianiu obracających się obiektów, ponieważ zysk momentu kątowego - pędu spowodowanego przez obrót - jest balansowany przez spowalniający wpływ dodatkowej masy. Aby przenieść wystarczający moment kątowy do dziury by obrócić ją do nagości, cząsteczka musiałaby zbliżyć się do horyzontu zdarzeń z tak dużą szybkością i pod takim ukośnym kątem, że nie zostałaby zassana przez horyzont wydarzenia w pierwszej kolejności.

W ramach klasycznej fizyki opisanej przez teorię względności nie odkryto jeszcze żadnego sposobu na strorzenie nagiej osobliwości. Ale w opublikowanym niedawno artykule Matsas i da Silva proponują, że mechanizmy kwantowe, które normalnie działają tylko w przypadku małych obiektów, mogłyby obalić kosmiczną cenzurę. Naładowana elektrycznie czarna dziura mogłaby się obracać wystarczająco szybko, by utracić swój horyzont zdarzeń, co mogłoby zostać spowodowane przez pchnięcie krawędzi wywołane przez uzyskanie momentu kątowego w nietypowy sposób - konkludują naukowcy. Cząsteczki kwantowe mają dziwną własność bycia zdolnymi do "przekopywania się" przez bariery, choć według klasycznej mechaniki mają niewystarczającą energię, by przez nie przejść.

Podczas gdy klasyczne cząsteczki z wystarczającym do przyspieszenia czarnej dziury momentem kątowym nie mogą przejść do wnętrza horyzontu zdarzeń, z powodów opisanych w latach siedemdziesiątych, Matsas i da Silva odkryli, że cząsteczki kwantowe mogą "wykopać" tunel wewnątrz horyzontu i uczynić czarną dziurę nagą. "To zręczny pomysł", powiedział Petters. "Jest jednak kwestia tego typu, czy takie czarne dziury istnieją, lub czy są wystarczająco długo ładowane, byśmy mogli je wychwycić, ponieważ naładowane czarne dziury mają tendencję do neutralizacji".

Sam Matias przestrzega, że wynik ich badań nie oznacza od razu, że kosmiczną cenzurę da się naruszyć w rzeczywistości, ponieważ teoria kwantowa jest niekompletna. Ogólna teoria względności, która objaśnia grawitację i powstawanie czarnych dziur, oraz teoria o mechanizmach kwantowych, jak wiadomo, są zasadniczo niezgodne i fizycy spodziewają się, że będą mogli w końcu pogodzić teorię grawitacji kwantowej.

"Czy taka teoria uratowałaby kosmiczną cenzurę", powiedział Matsas, "dopiero zobaczymy". Dodał jednak, że "nie widzimy jakiegoś ważnego powodu, by wykluczyć istnienie nagich osobliwości w kontekście grawitacji kwantowej". Taka ulepszona teoria faktycznie powinna pomóc w poznaniu, jakie są nagie osobliwości. "Powszechnie sądzi się, że grawitacja kwantowa odsłoni strukturę osobliwości", powiedział Matsas, dodając, że wtedy one prawdopodobnie będą się wydawały "bardziej życzliwe fizyce" niż monstrualności, jakimi teraz wydają się być.

Philip Ball, Nature.com

Tłumaczenie i opracowanie: Ivellios