Środek czarnych dziur – co się w nim znajduje

Czarne dziury od lat fascynują naukowców – są to obiekty czysto grawitacyjne, wydają się proste, ale wciąż skrywają tajemnice, które stanowią wyzwanie dla zrozumienia praw natury. Większość dotychczasowych obserwacji koncentrowała się na ich cechach zewnętrznych i otaczającym środowisku, jednak środek czarnych dziur pozostaje niezbadany.

Nowe badanie, przeprowadzone przez naukowców z University of Southern Denmark, Charles University w Pradze, Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) w Trieście i Victoria University of Wellington w Nowej Zelandii, opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters, skupiało się na aspekcie najbardziej wewnętrznego obszaru różnych modeli czasoprzestrzennych opisujących czarne dziury, sugerując, że zrozumienie przez astronomów tych enigmatycznych obiektów może wymagać dalszych analiz.

Jak wskazują astronomowie, kluczowym odkryciem badania jest to, że wewnętrzna dynamika czarnych dziur, która pozostaje w dużej mierze niezbadana, może radykalnie zmienić rozumienie tych obiektów, nawet z perspektywy zewnętrznej.

Metryka Kerra równań Ogólnej Teorii Względności jest zdaniem naukowców, najdokładniejszym opisem reprezentacji wirujących czarnych dziur obserwowanych w astrofizyce grawitacyjnej. Reprezentuje ono czarną dziurę jako wir w czasoprzestrzeni, charakteryzujący się dwoma horyzontami: zewnętrznym, poza którym nic nie może uciec przed przyciąganiem grawitacyjnym, oraz wewnętrznym, który otacza osobliwość pierścieniową, region, w którym czasoprzestrzeń, jaką znamy, przestaje istnieć. Model dobrze zgadza się z obserwacjami, ponieważ odchylenia od teorii Einsteina poza czarną dziurą są regulowane przez nowe parametry fizyczne, które wskazują rozmiar rdzenia i naukowcy oczekują, że będą dość małe.

Jednak ostatnie badania zwróciły uwagę na środek czarnych dziur – astronomowie wiedzieli, że statyczny wewnętrzny horyzont charakteryzuje się nieskończoną akumulacją energii, jednak analiza sugeruje, że nawet bardziej realistyczne dynamiczne czarne dziury podlegają znacznym niestabilnościom w stosunkowo krótkich skalach czasowych. Niestabilność ta wynika z akumulacji energii, która rośnie wykładniczo w czasie, aż osiągnie skończoną, ale niezwykle dużą wartość, która może znacząco wpłynąć, a tym samym zmienić ogólną geometrię czarnej dziury.

Ostateczny wynik tego dynamicznego procesu jest nadal niejasny, ale badanie sugeruje, że czarna dziura nie może ustabilizować się w metryce Kerra, przynajmniej zdaniem naukowców w długich skalach czasowych, chociaż prędkość i wielkość odchyleń od czasoprzestrzeni Kerra pozostają przedmiotem analiz.

„Wynik ten sugeruje, że rozwiązanie Kerra – wbrew wcześniejszym założeniom – nie może dokładnie opisywać obserwowanych czarnych dziur, przynajmniej w typowych skalach czasowych ich istnienia” – mówi Stefano Liberati z SISSA.

Zrozumienie roli tej niestabilności jest zatem niezbędne do ulepszenia teoretycznych modeli tego jak wygląda środek czarnych dziur i jego związek z ogólną strukturą tych obiektów. W tym sensie może to stanowić brakujące ogniwo między modelami teoretycznymi a potencjalnymi obserwacjami fizycznymi wykraczającymi poza ogólną teorię względności. Ostatecznie wyniki te, jak wskazują naukowcy, otwierają nowe perspektywy dla badań czarnych dziur, oferując możliwość pogłębienia zrozumienia ich wewnętrznej natury i zachowania.

Emil Gołoś