Crna rupa:
M87 u centru galaksije Messier 87

O crnim rupama smo maštali, zatim ih matematički analizirali, osmatrali radio-teleskopima, ali ih nikad nismo videli sopstvenim očima. Sada smo i na to stavili tačku: crne rupe postoje i izgledaju tačno onako kako je nauka i predviđala

Iako danas imamo nebrojeno mnogo naučnih dokaza da crne rupe zaista postoje, svi pokušaji da se one fotografišu do sada su bili bezuspešni. Ljudi po pravilu slabo prihvataju stvari koje ne mogu da vide pa nije mali broj onih koji crne rupe i dalje smatraju rezultatom apstraktne matematike bez mnogo uporišta u realnom svetu. Ali, kako uopšte fotografisati nešto što se po definiciji ne vidi?

Kad već ne možemo da crnu rupu snimimo direktno, možemo da zabeležimo njene efekte na neposrednu okolinu. Crna rupa svojim gravitacionim poljem privlači kosmičke objekte, gasove i prašinu i taj proces ima svoje vidljive posledice, naročito ako je okolina crne rupe bogata materijom kojom se crne rupe "hrane". U neposrednoj okolini nastaje zona nagomilavanja materije koja spiralnom putanjom upada u crnu rupu. Pritom se usled trenja oslobađa ogromna količina toplote, materija se intenzivno zagreva i počinje da emituje svetlost dovoljno jaku, da je možemo registrovati u različitim delovima spektra, od infracrvenog preko vidljivog do rendgenskog. Sve što nam nedostaje je snimak koji bi potvrdio da je ova teorija zapravo tačna: prsten usijanog gasa sa "flekom" crne rupe u sredini.

KAKO JE USLIKANA: Mreža teleskopskih stanica raspoređena po svetu i jedna takva stanica na vrhu Mauna Kea, na Havajima

HORIZONT DOGAĐAJA

Pre desetak godina počeo je da se stvara internacionalni tim sa zadatkom da fotografiše crnu rupu i usput proveri gomilu teorija koje objašnjavaju njihov postanak i razvoj, uključujući i Ajnštajnovu teoriju relativiteta. Vrlo brzo postalo je jasno da nijedna astronomska opservatorija nema dovoljno jaku opremu za ovakav poduhvat. Umesto jednog, tim je iskoristio združenu moć deset velikih teleskopa strateški pozicioniranih širom sveta, od Havaja i Čilea do Evrope, Grenlanda i Južnog pola. Tako je nastao gigantski virtuelni teleskop simbolično nazvan "Horizont događaja", sposoban da jedan te isti nebeski objekat posmatra istovremeno sa više udaljenih lokacija i na bazi malih razlika u opažanjima konstruiše sliku 4000 puta oštriju od one koju generiše svemirski teleskop "Habl".

Naravno, nije sve u hardveru, sakupljene podatke potrebno je sakupiti, sinhronizovati i analizirati tako da je u razvoj novog softvera uloženo mnogo više nego u same teleskope. Od svih do sada detektovanih crnih rupa kao početne mete izabrane su svega dve koje su davale najviše izgleda za uspeh.

Prva crna rupa, Sagitarius A, nalazi se u centru Mlečnog puta i četiri miliona puta je masivnija od Sunca. Da se radi o masivnoj crnoj rupi znamo na osnovu kretanja obližnjih zvezda – njihove ogromne brzine i zakrivljene putanje mogu se objasniti jedino prisustvom masivnog objekta čija je enormna masa skoncetrisana u vrlo malom prostoru. Taj objekat je "svega" 26.000 svetlosnih godina daleko od nas ali njegovo posmatranje je izuzetno komplikovano jer je prostor između nas i crne rupe ispunjen brojnim zvezdama i velikom količinom gasa i prašine. Uz to, čini se da u okolini ove crne rupe nema dovoljno materije da bi se formirao uočljivi prsten usijanih gasova. Koji god da je razlog u pitanju, osmatranja su bila neuspešna i naučnici su se okrenuli rezervnoj meti.

A ta meta bila je jedna od najvećih poznatih crnih rupa u kosmosu, M87 u centru galaksije Messier 87. Ova kolosalna crna rupa ima masu ravnu masi šest i po milijardi sunaca, neuporedivo je veća od one u centru Mlečnog puta ali je zato i neuporedivo udaljenija: od nje nas deli preko 53 miliona svetlosnih godina. Iako za ovu crnu rupu znamo da je aktivna, da intenzivno guta materiju oko sebe, rastojanje predstavlja ogroman izazov. Kejti Boumen, koja je sa svojim kolegama godinama radila na softveru za analizu podataka prikupljenih virtuelnim teleskopom, kaže da je čitav poduhvat ličio na pokušaj da se uslika đevrek na površini Meseca.

Pa ipak, uspelo je.

"PTIČICA!": Prva fotografija crne rupe; i galaksija Messier 87 (dole)

REKONSTRUKCIJA SLIKE

Prvo je trebalo pronaći pogodno vreme za višednevno osmatranje. Tek 2017. godine ukazao se period od deset dana kada je vreme bilo vedro na svim teleskopskim lokacijama. Sakupljeno je fantastičnih pet petabajta podataka koji su snimljeni na diskove velikog kapaciteta i fizički transportovani u centar za obradu podataka. Transfer putem interneta nije dolazio u obzir jer bi sa današnjim brzinama interneta trajao predugo. Poređenja radi, autor ovog teksta ima kolekciju od oko 15.000 igranih filmova čija je ukupna veličina oko 50 terabajta – tačno 100 puta manje od onoga što je sakupljeno tokom snimanja jedne jedine crne rupe.

Iz tog beskrajnog mora nula i jedinica nastala je slika crne rupe koja je obišla svet. I pored njihovog obilja, sakupljeni podaci su fragmentarni. Da bi slika bila kompletna i savršeno jasna, bilo bi potrebno da svaka tačka Zemljine kugle bude pokrivena jednim teleskopom. Zato je rekonstrukcija izgleda crne rupe ličila na pokušaj da se razume muzička kompozicija odsvirana na klaviru koji ima samo deset ispravnih dirki. Svaka opservatorija odsvirala je samo jednu notu u toj složenoj kompoziciji, ostale note umetnute su kompjuterski. Sofisticirani algoritmi koji su kreirani za ovu priliku ne garantuju da je finalna slika apsolutno verno zabeležila trenutak iz života jedne crne rupe, ali su velika odstupanja ipak isključena.

MATERIJAL ZA JEDNU FOTOGRAFIJU: Kejti Boumen i 5 petabajta obrađenih podataka

Novinarima za spektakularnu vest često treba i neko lepo lice, a pomenuta Kejti Boumen, naučnica sa Kalifornijskog instituta za tehnologiju, bila je idealan izbor za mnoge. Na sopstveno iznenađenje, našla se na naslovnim stranicama novina, naučnih žurnala i internet portala. Iako je Kejti sve vreme isticala da je ona bila samo jedan od članova internacionalnog tima u kome je svako dao nemerljiv doprinos, muški šovinisti jedva su dočekali da je na društvenim mrežama optuže za besramno prisvajanje rezultata čitave ekipe i samopromociju bez presedana. Kad god kao ljudi napravimo jedan veliki korak napred, nađe se neko da nas brutalno podseti da smo bili i ostali – prasci.

Ipak, sve to neće baciti senku na ovo ogromno dostignuće: o crnim rupama smo maštali, zatim ih matematički analizirali, osmatrali radio-teleskopima ali ih nikad nismo videli sopstvenim očima. Sada smo i na to stavili tačku: crne rupe postoje i izgledaju tačno onako kako je nauka i predviđala. Još jedan trijumf matematike, fizike i, naravno, Ajnštajna. Njegova teorija izdržala je još jednu probu, možda i najtežu do sada.

STRAH OD CRNE RUPE

Imamo li razloga da se plašimo crnih rupa, onih koje se možda neopaženo kriju u našem kosmičkom komšiluku? Šanse da našu planetu proguta jedna takva nevidljiva neman ravne su nuli – kosmos je, jednostavno, toliko veliki i toliko prazan da su direktni sudari kolosalnih razmera veoma retki. Ilustracije radi, naša matična galaksija Mlečni put sudariće se kroz par milijardi godina s Andromedom, nama najbližom galaksijom od koje nas trenutno deli oko dva miliona svetlosnih godina. Iako svaka od ove dve galaksije sadrži preko 500 milijardi zvezda, malo je verovatno da će se bilo koje dve zvezde sudariti direktno.

Realnija je opasnost da bi masivna crna rupa na proputovanju kroz Sunčev sistem svojom snažnom gravitacijom mogla da promeni Zemljinu putanju i utiče na njeno rastojanje od Sunca. Čak i mala promena trajektorije naše planete verovatno bi dovela do katastrofalnih klimatskih promena koje bi Zemlju pretvorile u pustinju, ledeno hladnu ili pakleno vruću, sasvim svejedno. Kompjuterske simulacije takođe su pokazale da iznenadna pojava nekog masivnog tela u našoj blizini može da dovede do nepovratnog izbacivanja Zemlje iz Sunčevog sistema. Naša planeta bi za svega par meseci potonula u večiti mrak a temperatura bi se spustila na nekoliko stepeni iznad apsolutne nule (–273°C).

Ljudski strah ne zna za granice, naročito kada taj strah generišu nedovoljno proučeni prirodni fenomeni. Pre nego što je počeo da radi novi CERN-ov "Veliki hadronski sudarač", najveća mašina koju je čovek do sada konstruisao, veliki broj ljudi među kojima je bilo i vrhunskih fizičara, izrazio je bojazan da bi sudari čestica do tada neviđene energije mogli da dovedu do stvaranja minijaturnih crnih rupa koje bi potom mogle da usisaju čitavu planetu. Strah nije bio opravdan jer ni u jednom eksperimentu do sada tako nešto nije primećeno. Čak i da je moguće stvoriti crnu rupu u laboratoriji, ona bi verovatno bila tako sićušna da bi "isparila" procesom Hokingovog zračenja mnogo pre nego što bi stigla da načini bilo kakvu štetu.

Ali to ne znači da jednoga dana, možda u nekom budućem akceleratoru ili na neki drugi način nećemo uspeti da napravimo crnu rupu. Teoretski gledano, stvar je sasvim prosta, treba samo da nagurate dovoljno mase i energije u jako mali prostor, gravitacija će obaviti ostatak posla. Poslednji takav pokušaj desio se u petak 19. aprila, kada je u centar Beograda sabijena masa od milion ljudi, autobusa i sendviča s majonezom, o kolosalnoj energiji čitave Srbije koja uz to ide da i ne pričamo. "Politika" je preko cele naslovne strane javila da se Beograd slegao, pretpostavlja se za najmanje dva metra, što je ličilo na prvi čin kolapsa Beograda u crnu rupu, tačno onako kako predviđa Ajnštajnova opšta teorija relativiteta. Ipak, kritična masa nije dostignuta. Šteta, imali bismo priliku da vidimo kako crna rupa izgleda iznutra i da jedni drugima pričamo o tome.

APSTRAKTNO RAZMIŠLJANJE

Šta su, zapravo, crne rupe i kako nastaju? Verovali ili ne, dovoljno vam je srednjoškolsko znanje fizike pa da dođete do zaključka da nešto poput crnih rupa skoro izvesno postoji.

Pođite od činjenice da je gravitacija univerzalna pojava. Sve što ima masu ili energiju stvara privlačno gravitaciono polje. Usled toga Zemlja se kreće oko Sunca, jabuka pada na Njutnovu glavu a stanovnici Australije se i dalje drže za planetu iako su sa donje strane globusa (sve ovo, naravno, pada u vodu ako je Zemlja ravna ploča, u toj "teoriji" gravitacija ne postoji).

Da biste se otisnuli sa naše planete u kosmički beskraj, potrebna je određena brzina. Na površini Zemlje ona iznosi oko 11 kilometara u sekundi, deset puta je veća od brzine puščanog metka. Ova brzina zavisi pre svega od mase nebeskog tela sa kojeg pokušavate da "pobegnete". Ako se nalazite na Mesecu čija je masa mnogo manja, brzina bekstva je pet puta manja. Ali na Suncu ona prelazi 600 kilometara u sekundu. Na nekoj još masivnoj zvezdi ova brzina može da bude desetinama pa i stotinama puta veća.

Razmišljajući na sličan način, engleski astronom i sveštenik Džon Mičel je krajem 18. veka došao do zaključka da neke zvezde mogu da budu toliko masivne da sa njih ni svetlost ne može da pobegne i pored toga što svetlost u vakumu dostiže brzinu od 300.000 kilometara u sekundi. Mičel je na svetlosni zrak gledao kao na topovsko đule koje kreće sa površine zvezde, gubi brzinu usled delovanja gravitacije i pada natrag na zvezdu. Ali zaključak mu je bio ispravan: iako takvu zvezdu ne bismo mogli da vidimo jer do nas sa nje ne bi dopro nijedan svetlosni zrak, mogli bismo da dokažemo njeno postojanje posmatrajući njen uticaj na okolinu. Mičel je ovo hipotetično nebesko telo nazvao "tamnom zvezdom".

Mnogo kasnije, utvrđeno je da je brzina svetlosti konstantna, čime je naivna teorija Džona Mičela naizgled opovrgnuta. Međutim, Ajnštajn je u svojoj opštoj teoriji relativiteta dokazao da gravitacija ipak utiče i na putanju i na energiju svetlosti. Fotoni, najmanje "svetlosne jedinice", gube energiju bežeći iz gravitacionog "bunara" sopstvenog izvora. U ekstremnom slučaju, gubitak energije je potpun i izvor svetlosti postaje nevidljiv.

Nemački fizičar Karl Švarcšild napravio je misaoni eksperiment: skoncentrisao je masu u jednu tačku prostora i tako kreirao "singularitet" beskonačne gustine. Zatim je rešio Ajnštajnove jednačine gravitacionog polja, ali u prvi mah nije mogao da objasni zbunjujuće rezultate do kojih je došao. Priroda ovih rezultata razjašnjena je tek kada su svoj doprinos dali Hendrik Lorenc, Artur Edington i Žorž Lemetr. Glavni zaključak do koga su došli je da tačkasta masa kreira tzv. "horizont događaja", sfernu oblast prostora u kojem su sve putanje zatvorene i vode direktno u singularitet u njenom centru. Sam singularitet, tačka beskonačne gustine, predstavlja mesto gde Ajnštajnove jednačine i zakoni fizike jednostavno prestaju da funkcionišu.

Sve što se desi unutar sfere horizonta događaja zauvek ostaje u njoj. Ko god bi se našao u njoj nikad ne bi mogao da se javi svojim prijateljima i prepriča utiske. Protok materije i informacija moguć je samo u jednom smeru, ka unutrašnjosti ove sfere i njenom centru. S obzirom da ni svetlost ne može da napusti ovu nematerijalnu i nevidljivu "membranu", oblast omeđena horizontom događaja izgleda potpuno tamno. Veličina horizonta događaja definisana je tzv. Švarcšildovim radijusom koji direktno zavisi od mase zarobljene u unutrašnjosti: što je ta masa veća i horizont događaja je veći. Danas je uobičajeno da za veličinu crne rupe uzimamo upravo veličinu horizonta događaja. Ali bez obzira na to, sva masa crne rupe na kraju je skoncentrisana u njenom centru, u tački beskonačne gustine.

Termin "crna rupa" verovatno je prvi upotrebio Robert Dik inspirisan indijskim zatvorom poznatim kao "Crna rupa Kalkulte". U taj zatvor se lako ulazilo ali iz njega skoro niko nije izašao. Ipak, odlučujući doprinos popularizaciji termina dao je poznati američki fizičar Džon Viler: njemu se dopala njegova jednostavna forma i "propagandna vrednost" i zato ga je forsirao u komunikaciji do te mere da ga danas mnogi smatraju "kumom" koji je izabrao današnje ime.

Teorija je pokazala da je bilo koju količinu materije moguće pretvoriti u crnu rupu ukoliko se ona sabije u sferu sa radijusom manjim od Švarcšildovog. Ako biste Mesec hteli da pretvorite u crnu rupu, morali biste da svu njegovu masu sabijete u prostor ne veći od zrnca peska. Sunce "spakovano" u crnu rupu imalo bi horizont događaja od jedva par kilometara.

RAĐANJE I RAST

Sve do ove tačke nalazimo se na terenu apstraktnog razmišljanja, to i dalje ne dokazuje da crne rupe zaista postoje. Okrenimo se, još jednom, zvezdama oko nas.

Sunce je jedna velika nuklearna "furuna", u njegovom centru odvija se fuzija vodonika u helijum i pritom oslobađa energija koja održava život na Zemlji. Energija koja iz centra Sunca putuje ka njegovoj površini sprečava da Sunce kolabira pod sopstvenom težinom, baš kao što balon neće izgubiti svoj oblik sve dok balonista zagreva vazduh u njegovoj unutrašnjosti. Ali ništa nije večno: Sunce će kroz nekoliko milijardi godina iscrpeti celokupno nuklearno gorivo i bez priliva energije iznutra Sunce će početi da kolabira pod sopstvenom težinom.

U slučaju Sunca ovo sažimanje ima svoju granicu. Elektroni u atomima Sunca naći će se na tako malom rastojanju da će sile odbijanja između njih zaustaviti dalju kompresiju zvezdane materije. Sunce će preći u stabilno stanje ekstremno gustog belog patuljka kome će biti potrebno nekoliko desetina milijardi godina da se potpuno ohladi.

Indijski astrofizičar Čandrasekar prvi je pokazao da beli patuljci čija je masa 40 odsto veća od mase Sunca nikad ne dostižu stabilno stanje. Gravitacione sile u tom slučaju toliko su jake da ni odbojne sile između elektrona ne mogu da zaustave kolaps materije. Po Čandrasekaru, sažimanje materije nezadrživo se nastavlja sve do singulariteta, tj. sve do transformacije zvezde u crnu rupu.

Kasnije su Openhajmer, Volkov i Tolman malo korigovali Čandrasekarove kalkulacije. Oni su pokazali da masivne zvezde nastavljaju kolaps kroz proces fuzije protona i elektrona i nastanak takozvane neutronske zvezde. Ovi egzotični objekti sastavljeni su skoro isključivo od neutrona i imaju nezamislivu gustinu: jedna kašičica "neutronijuma" bila bi teška koliko i čitav "Beograd na vodi", u kompletno izgrađenom stanju. Neutroni takođe stvaraju negativan pritisak koji sprečava dalji kolaps materije.

Ali i taj otpor ima svoju granicu. Ako je neutronska zvezda dvaput masivnija od Sunca, čak će i neutroni popustiti i poslednji otpor materije neumoljivoj sili gravitacije biće skršen. Kolaps se nastavlja sve do tačke beskonačne gustine. Imamo mnogo razloga da verujemo da je poslednji stadijum u evoluciji svake masivne zvezde upravo crna rupa. S obzirom da se broj galaksija u kosmosu meri stotinama milijardi, da svaka galaksija sadrži stotine milijardi zvezda, da još uvek živimo u kosmičkom dobu kada se zvezde intenzivno rađaju i umiru, pretpostavlja se da crnih rupa u Univerzumu ima jako puno i da će ih, kako vreme bude prolazilo, biti sve više.

Kada jednom nastane crna rupa počinje da raste usisavanjem okolne materije, kosmičkog gasa i prašine ili materijala sa okolnih zvezda, potencijalno dostižući kolosalne razmene. Najbrže rastu one koje se nalaze u najgušćim delovima galaksije a to je po pravilu galaktički centar. Danas se smatra da se u centru praktično svake galaksije nalazi gigantska crna rupa čija je zarobljena masa milionima ili milijardama puta veća od mase našeg Sunca.

Dr Saša Marković