Galaksija M87 u sazvežđu Virgo (Devica), između Denebola i Arkturusa, u ovo doba godine može da se vidi već u rano veče na jugoistoku. Karta iz Stellarium-a.

Astrofizika se bavi okolinom crnih rupa. Tu se materijal koji pada na crne rupe zgušnjava, zagreva usled svoje viskoznosti i emituje obilje energije u celom spektru elektromagnetskog zračenja. Zato su astrofizičari u stanju da tu nešto vide i da studiraju procese u okolini crne rupe. Sada, kada smo konačno u stanju da vidimo samu crnu rupu, u šta u stvari gledamo? Izgleda skoro dosadno, kao mrak bez detalja? Daleko od toga.

Horizont

Crna rupa je fizički objekat. Ima merljivu masu i prečnik. Može da se kreće, rotira, sudara, emituje gravitacione talase, itd, ali površina koju vidimo nije površina nekog čvrstog ili gasovitog tela. Jer teorija nam kaže da sve što padne u crnu rupu mora da nastavlja da pada do samog centra.

Crna površina koju vidimo na slici nije dakle materijalna. Postoji samo u smislu da svetlosti treba beskonačno dugo vreme da stigne sa nje do nas. Zato ta površina izgleda „crna.“

Pošto je brzina svetlosti najveća moguća, to isto važi i za bilo koji drugi materijalni objekat. Mi možemo da stignemo do površi crne rupe, to jest da padnemo u nju, za neko konačno vreme. Međutim kretanje u obrnutom pravcu zahteva beskonačno dugo vreme, mereno našim časovnikom daleko od crne rupe.

Tako da u nekom smislu površina crne rupe kao da je beskonačno daleko. Ali samo u jednom, smeru, odatle do ovde.

Crna površina crna rupe u jednom smislu izgleda kao čist matematički pojam ali sa druge strane ona ima jasan i dramatičan fizički smisao. Mi ne možemo da vidimo šta se događa unutar te površi, baš kao što ne vidimo šta se događa ispod našeg horizonta. Zbog toga se površina crne rupe zove još i horizont događaja.

Horizont supermasivne crne rupe u galaksiji M87. Površina je crna jer svetlosti treba beskonačno mnogo vremena da stigne do nas. Mi ne možemo da vidimo šta se dešava unutar te površi. Izvor: https://eventhorizontelescope.org/

Unutar crne rupe

Gledano spolja crna rupa ima jasno definisani oblik i veličinu. Prirodno je onda zamisliti da je unutrašnjost crne rupe kao unutrašnjost bilo koje sfere. Međutim teorija nam kaže nešto drugo: unutar crne rupe prostor i vreme izmenjuju uloge. Ako bi se našli unutar horizonta crne rupe umesto konačnog prostora koji može dapostijo beskonačno dugo mi bi videli oko sebe beskonačni prostor koji postoji samo konačno vreme. Tačnije, posmatrač postoji samo konačno vreme, jer ne može da stoji u mestu već mora da nastavi da pada u centar.

Pošto to važi za svakog posmatrača, za svaki sat koji se nađe unutar horizonta crne rupe, u tom smislu svako vreme unutar crne rupe traje samo konačno dugo. Postoji kraj vremena.

Niti je unutrašnost crne rupe spokojan beskonačni prostor. Fizičari su pokazali da materijal koji je upao pre nas kao i materijal koji je upao posle nas stvaraju moćne plimske sile koje bi nas rastrgli od čega nas „spašava“ samo to što ćemo pasti u centar za konačno vreme. Međutim to naravno nije spas, jer tu se nagomilava sva masu u nulti obim pa je gustina beskonačna i postojanje u smislu koji znamo nije moguće.

Teorija relativnosti dakle pokazuje da crne rupe postoje i stanju je da opiše njihova svojstva i spolja i unutra, ali unutar crne rupe nailazi na te situacije sa beskonačnostima. Interpretacija je da su ta stanja beskonačne gustine granica važnosti fizike koju znamo, pre svega Teorije relativnosti. Da bi se potpuno razumela unutrašnjost crne rupe potrebno je poznavanje nekih novih zakona.

Da li je to teorija struna ili nešto drugo, to još ne znamo. Međutim, ta nova fizika postoji, jer kao što ova slika pokazuje, crne rupe postoje. Dalje teorijske studije crnih rupa su jedan način da se nauče novi zakoni fizike. To je jedan od razloga zašto crne rupe uzbuđuju fizičare.

Tunel

Teorija relativnosti omogućava da se opišu prostor i vreme i unutar i van crne rupe, ali tu je iskrsla jedna zanimljivost koja je izazvala mnogo diskusija. Baš kao što svaki kvadratni koren ima dva rešenja, tako je ovde matematika pokazala da u slučaju crne rupe postoje dve unutrašnjosti i dva spoljašnja regiona. Kako to razumeti?

Omiljeno objašnjenje je bilo da posmatrač koji upadne u crnu rupu iz jednog takvog spoljašnjeg regiona može kroz nju da prođe i da osvane u onom drugom spoljašnjem regionu. Time bi u principu crna rupa mogla da se iskoristi za kratkotrajan put između veoma udaljenih regiona. Drugim rečima, crna rupa bi funcionisala kao prostorni tunel (na engleskom, wormhole).

Matematička analiza je međutim pokazala da to nije moguće. Bilo koja masa koja se unese u takav tunel odmah ga deformiše i zatvara.

Zaključak izgleda jasan ali tema je toliko zanimljiva da i dalje postoje fizičari koji su njome potpuno fascinirani i razmišljaju o njoj.

U šta dakle gledamo?

Kritičan čitalac može da kaže da je sve ovo „teorija.“ Tačno, ali teorija je bilo i samo postojanje crnih rupa, i ta ista teorija je tačno opisala njihova svojstva i uticaj na okolini. Štaviše, ta teorija jasno ukazuje na svoje sopstvene granice primenljivosti. To je dobra motivacija da se dalje ispituju njene posledice unutar tih granica.

Slika je sasvim jasna: horizont crne rupe je površina u našem svemiru ali unutrašnjost crne rupe nije zapremina u našem svemiru. Unutrašnjost crnerupe ne pripada našem svemiru. Horizont crne rupe je granica koja razdvaja naš svemir od realnosti koja je unutra, realnosti koju samo delimično razumemo.

Matematički, to je bilo jasno već pre 80 godina, otkako je po prvi put iskrsla adekvatna slika crnih rupa. Sada po prvi put vidimo horizont crne rupe kao što vidimo bilo koji drugi fizički objekat, i ta interpretacija horizonta je takođe jednako realna kao i svaki drugi fizički objekat.

Sve ovo očigledno nije slučaj samo sa crnom rupom u M87. Za sada to je jedini horizont koji smo videli, ali fizički argumenti koji su ukazivali da ta crna rupa postoji isti su kao i slučaju bezbrojnih drugih.

Amaterska ilustracija našeg svemira, ispunjenog galaksijama sa centralnim supermasivnim  crnim rupama koje su nama „pod rukom“ granica našeg svemira.

Obično se misli da je granica svemira, ako postoji, beskonačno daleko. Međutim, postojanje crnih rupa znači da ta granica može da bude sasvim blizu i da je sasvim vidljiva! Svaka galaksija, osim patuljastih bez jezgra, ima centralnu supermasivnu crnu rupu veličine od nekoliko miliona do nekoliko milijardi kilometara. U svakoj galaksiji pored toga postoje brojne crne rupe kilometarskih razmera koje su nastale kao ostatak eksplozija supernovih. Horizont svake crne je granica našeg svemira i kapija u nepoznato.

To je ono što vidimo kada gledamo u sliku koji je dobio tim „Horizont događaja.“

Kako je bilo moguće videti crnu rupu?