Centrum gigantycznych czarnych dziur mogłoby rzucić światło na początki wszechświata
Czarne dziury – które zasysają gwiazdy i wszelką inną materię, a których do niedawna nie dało się zobaczyć, ponieważ nie emitują światła – zostały zaobserwowane w ostatnich latach dzięki detekcji fal grawitacyjnych. W ramach projektu BHLOC, dofinansowanego ze środków unijnych, naukowcy poszerzają podstawy teoretyczne pozwalające zrozumieć, co znajduje się w centrum czarnych dziur. „Naukowcy ustalili, że w centrum galaktyki ponad wszelką wątpliwość znajduje się masywna czarna dziura. Ale wiemy bardzo niewiele. Wiemy, że czarna dziura wiruje z pewną prędkością, ma masę, energię i ładunek elektryczny. I to wszystko”, mówi koordynator projektu Nick Halmagyi, profesor i badacz w Laboratorium Fizyki Teoretycznej i Fizyki Wysokich Energii Uniwersytetu Paryż-Sorbona (LPTHE). Uczestnicy projektu BHLOC pracowali nad obliczeniem poprawek do grawitacji, które mogą być ważne dla zrozumienia historii wszechświata zaraz po Wielkim Wybuchu. „Jeśli zmienimy ilość energii, co oznacza cofnięcie się aż do Wielkiego Wybuchu, w historii wszechświata są chwile, w których wszystko może się zmienić. A kiedy tak się stanie, naszym zdaniem samo badanie grawitacji nie wystarczy. Konieczne będą dodatkowe poprawki”, tłumaczy profesor Halmagyi. Przy tak ograniczonej wiedzy, „wszystko, co zdołamy obliczyć, poprawia zrozumienie czarnych dziur – a to jest postęp”, mówi Shailesh Lal, dawniej badacz na Uniwersytecie Narodowym w Seulu w Korei Południowej oraz w Indiach, następnie beneficjent grantu Marii Curie w LPTHE. Właściwości kwantowe Dzięki zrozumieniu właściwości statystycznych, a tym samym entropii (miary nieporządku na bardzo szczegółowym poziomie), rozszerzonych teorii grawitacji uczeni mogli „podjąć próbę zrozumienia właściwości kwantowych czarnych dziur”, mówi dr Lal. Zmarli niedawno astrofizycy z Uniwersytetu Cambridge, Stephen Hawking i Jacob Beckenstein, opracowali wcześniej teorię entropii czarnych dziur. „Odkryli oni, że czarna dziura zachowuje się dokładnie tak, jakby składała się z wielu małych elementów”, mówi prof. Halmagyi, który nazywa je „molekułami grawitacyjnymi”. Dlatego to, co znajduje się wewnątrz czarnej dziury, można badać przy pomocy teorii kwantowej, czyli teorii maleńkich cząstek. „Mamy przesłanki, by sądzić, iż wewnątrz czarnej dziury znajdują się »molekuły«, z tym że nie są to molekuły, jakie znamy, tylko jakaś dziwna grawitacja, której tak naprawdę nie rozumiemy”, wyjaśnia prof. Halmagyi. „Próbujemy więc zrozumieć [teoretyczne] szczegóły owych molekuł i uogólnić je w kierunku pewnego rodzaju czarnej dziury, jaką możemy teraz zaobserwować we wszechświecie”. Nowe aspekty połączonych teorii Wyzwanie, przed jakim stoją fizycy teoretyczni, polega na znalezieniu, jak to ujmuje profesor Halmagyi, „złotego środka” między uproszczonymi modelami teoretycznymi, które dają pewne wyniki, a uogólnionymi teoriami, które, choć ogromne i złożone, są bliższe wyjaśnienia prawdziwego świata. Teoria strun, popularna teoria grawitacji kwantowej, jest wykorzystywana do przewidywania tego, co znajduje się w środku czarnej dziury. Projekt BHLOC „dotyczył szczególnego aspektu teorii strun, aby móc zrozumieć »molekuły« tworzące czarne dziury w oparciu o kwantową teorię pola – teorię kwantową, która nie obejmuje grawitacji”, wyjaśnia dr Lal. Fizycy teoretyczni badali najmniejsze rotujące czarne dziury, znane jako ekstremalne czarne dziury, przy użyciu uproszczonego predykcyjnego modelu matematycznego, nazywanego „modelem zabawkowym”. „Wtedy, jeśli uprościmy [model] nieco bardziej, otrzymamy jakieś precyzyjne opisy »molekuł«. To było wielkie zwycięstwo teorii strun”, wyjaśnia profesor Halmagyi. „Kwantowa teoria pola i grawitacja to fundamenty fizyki. A ta teoria łączy je ze sobą w całkowicie nowatorski sposób”, podsumowuje.
Słowa kluczowe
BHLOC, kosmologia, astrofizyka, teoria strun, fizyka kwantowa, teoria kwantowa, grawitacja, czarne dziury
