Pomysł, że może istnieć obiekt tak masywny, że nawet światło nie będzie mogło zeń uciec, przedstawił w pracy przesłanej do Royal Society w roku 1783 geolog John Michell. W tym czasie znana już była teoria grawitacji Newtona, która zakłada, że dla każdego ciała istnieje jakaś prędkość ucieczki. Jeśli ciało będzie zbyt masywne, prędkość ta będzie wyższa nawet niż prędkość światła. Michell uważał, że we Wszechświecie może być wiele tego typu obiektów. Stulecia później okazało się, że miał całkowitą rację.

Z ogólnej teorii względności opublikowanej przez Alberta Einsteina w 1915 roku wynika, że każda masa zagina czasoprzestrzeń. Kilka miesięcy później Karl Schwarzschild wykazał, że gdy masa jest odpowiednio wielka, zagięcie przestrzeni rzeczywiście nie pozwala wydostać się światłu poza pewną granicę, nazwaną „horyzontem zdarzeń”. W 1931 roku Subrahmanyan Chandrasekhar udowodnił z kolei, że powyżej pewnej masy nic nie jest w stanie powstrzymać grawitacyjnego zapadania się gwiazdy. Były to tylko teoretyczne dowody, że takie obiekty – znane dziś jako czarne dziury – mogą istnieć.

Jak często dzieje się z rozważaniami teoretyków, nie wzbudzały one powszechnego zainteresowania. Zaczęto się nimi interesować dopiero po odkryciu pulsarów – niezwykle masywnych neutronowych gwiazd – w 1967 roku. Dwa lata później John Archibald Wheeler nazwał „czarnymi dziurami” obiekty tak masywne, że nie może uciec z nich nawet światło. Nazwa miała podkreślać, że taki obiekt całkowicie je pochłania. I doskonale się przyjęła.

Czy czarne dziury mogą emitować promieniowanie?

Z początku fizycy sądzili, że wszystkie czarne dziury powinny być jednakowe. Nie powinno je wyróżniać nic, bo żadna informacja nie powinna się wszakże z nich wydostać. Mogły, według teorii, różnić się tylko masą. Mogły też się różnić prędkością obrotu wokół osi lub nie obracać wcale. Ale poza tym powinny nie mieć żadnych innych cech.

Okazuje się, że jednak mają. Fizyk Stephen Hawking udowodnił w latach 80. XX wieku, że czarne dziury powinny emitować promieniowanie. Jak to możliwe, skoro nic z nich nie powinno móc się wydostać?

Kwantowe teorie pola zakładają, że nawet całkiem pusta przestrzeń pełna jest par cząstek i antycząstek, które bezustannie się unicestwiają i powstają na nowo. W pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury takie zjawisko musi czasem sprawić, że jedna z cząstek takiej pary trafi pod horyzont, a druga ucieknie. Strumień takich cząstek-uciekinierów będziemy obserwować jako promieniowanie. Nazwano je promieniowaniem Hawkinga.

Efekty kwantowe sprawiają, że czarna dziura powinna mieć też ciśnienie

Teraz badacze dowodzą, że efekty kwantowe sprawiają, że czarna dziura musi mieć ciśnienie. Xavier Calmet i Folkert Kuipers z brytyjskiego University of Sussex obliczyli, co się powinno dziać, gdy do matematycznego opisu horyzontu zdarzeń zastosuje się jednocześnie wzory opisujące kwantową teorię pola i teorię względności.

Z ich równań wyłonił się nieoczekiwany czynnik. Kwantowe fluktuacje powinny wywołać także inny efekt niż promieniowanie Hawkinga. Powierzchnia czarnej dziury powinna mieć ciśnienie.

– To zupełnie nieoczekiwane – mówi Calmet. – Pojawienie się tego ciśnienia oznacza, że czarne dziury są jeszcze bardziej skomplikowane.

Nic tam nie ma, a jednak pojawia się ciśnienie

Badacze nie wiedzą, jaki może być fizyczny sens wyników ich obliczeń. Na co dzień ciśnienie definiuje się jako siłę, wywieraną przez zbiór cząstek na jakieś ciało. Tu cząstki są zupełnie wirtualne – pojawiają się, by w okamgnieniu zniknąć. Czyli w zasadzie ich nie ma, a ciśnienie pozostaje.

Nie jest to więc ciśnienie, do jakiego przywykliśmy. Zwłaszcza, że powstaje ono na powierzchni horyzontu zdarzeń (a nie wewnątrz niego czy na zewnątrz). Jedynym porównaniem, jakie przychodzi do głowy jest balonik. Musielibyśmy sobie wyobrazić, że to jego gumowe ścianki (a nie gaz w jego środku lub powietrze na zewnątrz) wywierają ciśnienie.

Z obliczeń wynika, że ciśnienie to musi być zawsze ujemne. Co za tym idzie, przestrzeń pod horyzontem zdarzeń powinna się kurczyć. To z kolei bardzo pasuje do wyliczeń Hawkinga, z których wynika, że poprzez promieniowanie czarne dziury powoli „parują” i zmniejszają się. Chociaż zajmuje im to niewyobrażalnie długi czas, w końcu muszą zniknąć.

Oba zjawiska mogą być więc ze sobą związane. W jaki sposób – na razie nie wiadomo. – Każda nowa rzecz, której dowiadujemy się o kwantowych właściwościach czarnych dziur, daje nam wskazówki, jak można połączyć mechanikę kwantową z teorią grawitacji i jakie cechy taka nowa teoria musi mieć – dodaje Calmet.

Źródła: New Scientist, Physical Review D.