Ta siła fatalna. Czarne dziury we Wszechświecie recenzja

Najpopularniejsze medialnie obiekty astronomiczne, czyli czarne dziury, są przy całej swojej osobliwości najbardziej jednorodną opisowo grupą, o zaledwie dwóch parametrach określających ich zmienność populacyjną. Są nimi masa i tempo rotacji, które wspólnie da się sprowadzić do jednej wielkości - momentu pędu. Niczym więcej te pułapki czasoprzestrzeni się nie różnią między sobą. Cała menażeria form ich możliwej manifestacji, czyli istnienie dżetów (strug), dysków akrecyjnych, radioobłoków, kwazarów, nadświetlnej ekspansji - to wyłącznie efekt istnienia pobliskiej materii, która zakłóca ich spokój. Dwaj wybitni astrofizycy, Mitchell Begelman i Martin Rees, poprzez swoją cudownie skonstruowaną książką, zabierają czytelników w świat struktur kosmicznych, które czarne dziury tworzą. „Ta siła fatalna. Czarne dziury we Wszechświecie” jest śledztwem w sprawie tytułowych pożeraczy czasu i materii wprowadzających zdumiewający dynamizm do kosmicznej ciszy i pustki.

Książka jest z kilku powodów bardzo cenna, wręcz unikatowa. Po pierwsze autorzy dystansują się od zbędnych dygresji, od dyskusji o filozofii, od codzienności społecznej naukowców (czego nie należy mylić z bardzo solidnie obecnym opisem procesu budowania nauki). Po drugie dostajemy bardzo dobrze przygotowane wstawki z opisem ogólnych zjawisk astrofizycznych, które autorzy uznali za niezbędne do pełnego śledzeniu głównego tekstu. Po trzecie są genialne grafiki, które nie tylko obrazowo dopowiadają tekst, one wręcz są stanowią zachętę do pełniejszego odbioru tekstu; są wartością samą w sobie. Po czwarte język – dydaktyczny, ścisły, obrazowy, skupiony na jasności przekazu. Begelman i Rees bardzo często opisując dostępny sobie stan wiedzy (na rok 1996) komentują przyszłe plany badawcze, szacują stopień wiarygodności aktualnych ustaleń i jasno komunikują o tym czytelnikowi. Każdy tekst o nauce się starzeje, ten jest wyjątkowy, bo można i wciąż warto go czytać po ćwierćwieczu, jedynie uzupełniając czasem wiedzę w obszarach, gdy autorzy o tym wspominają. Po piąte temat. Po polsku nie ma książki, która tak kompleksowo i merytorycznie traktuje temat aktywności galaktycznej związanej z centralnymi zwartymi obiektami (zjawisko to ujmuje się w astrofizyce wspólnym pojęciem AGN – ‘Active Galactic Nuclei’ – aktywne jądro galaktyki), no może jest jeszcze jedna pozycja (*).

Ponieważ nie za bardzo mogę wyróżnić cokolwiek (skoro wszystko jest świetne), krótko wspomnę o kluczowej narracji, która buduje całą publikację. Książka opowiada o czarnych dziurach, ale wyłacznie od strony astrofizyki obserwacyjnej i teoretycznej. Autorzy całe swoje długoletnie doświadczenie badawcze bardzo sprawnie przelali na papier, sukcesywnie opisując zarówno specyficzne fenomeny obserwowane na niebie, jak i uogólniające je modele. Poświęcają stosowną ilość miejsca na trzy główne typy czarnych dziur – supermasywne (rezydujące w centrach galaktyk), gwiazdowe (jako końcowe etapy ewolucji gwiazd) oraz hipotetyczne – mikro czarne dziury. Pokazują konsekwencje zarówno spadku materii na AGN, ale i powstawanie tzw. układów rentgenowskich, gdy ‘zwykła’ gwiazda ma pecha być towarzyszką czarnej dziury. Cała nasza wiedza o tych zdumiewających obiektach dostępna jest dzięki paliwu, które wpada w ‘ich sidła’ grawitacyjne. Wszystkie najbardziej spektakularne i energetyczne zjawiska kosmiczne związane są z czarnymi dziurami. W książce liczne grafiki, zdjęcia, szeroko opisują ten świat obrazkowym językiem. Sporo pokazanych procesów, poprzez ich wizualizację, uczyniło przekaz dydaktyczny najlepszym z możliwych. Chociażby rysunek poskręcanych linii pola elektromagnetycznego (str. 153), dających początek strugom, uruchomi wyobraźnię chyba każdego.

Astrofizyka obserwacyjna w ostatnich dekadach dostała mnóstwo narzędzi (teleskopów naziemnych i satelitarnych do rejestracji różnego typu promieniowania) poszerzających naszą wiedzę. Chodzi zarówno o automatyzację, która przyspiesza tempo zbierania danych, jak i czułość instrumentów. Przykładowo, trwający obecnie przegląd nieba sondy Gaia, pozwolił odkryć już ponad setkę układów kataklizmicznych (czyli układów gwiazd z białym karłem). Begelman i Rees mogli oprzeć swoje analizy zaledwie na kilku takich układach (str. 62-67). Do tego dochodzi modelowanie komputerowe, pomagające przeliczać dynamikę układów gwiazd, parametry wnętrz gwiazd czy ewolucję supergromad galaktyk. „Ta siła fatalna” w dużej części dotyczy aktywności czarnych dziur rozmiaru gwiazdowego. Ponieważ tym tematem zajmował się zawodowo J.-P. Lasota, to ostatnio wydana rozmowa z Karoliną Głowacką stanowi świetną aktualizację i komentarz do opiniowanej pracy.(**) Wszystko to jednak absolutnie nie przekreśla tej pracy, w której mechanizm dysków akrecyjnych opisano bardzo ciekawie, sięgając sprawnie sedna. Ostatecznie warto wspomnieć, że mamy szczęście, iż rezydująca w centrum Drogi Mlecznej czarna dziura (nazwana Sagittarius A*) jest uśpiona, bo chwilowo nie ma co ‘pożreć’.(***) Gdyby było inaczej, nasz świat biologiczny być może nie mógłby zaistnieć, albo mielibyśmy szansę obserwowania niesamowitych fajerwerków kosmicznych z bliska.

„Ta siła fatalna” uzupełnia ogromną lukę w dostępnej po polsku wiedzy z astrofizyki wysokich energii. Pozostaje przy tym pracą popularną i dla każdego. Choć poszczególne rozdziały są zamkniętą całością, to ich kolejność nie jest przypadkowa. Warto tekst czytać niespiesznie, bo wtedy wszystko nabiera odpowiednich kształtów, kontekstu. Po lekturze tej książki aż chce się poszukać dodatkowych zdjęć w Internecie i zbadać, jak potoczyły się dalsze losy przywołanych w pracy naukowych zagadek, z których część wciąż czeka na rozwiązanie. Aby pomóc innym w tym procesie, zamieściłem skrótowy opis aktualizacji badawczych z ostatnich dwóch dekad.

WYBITNE – 9/10

=======

* Jest, nieco starsza, książka o AGN napisana przez Polaków na podobnym solidnym poziomie popularności – „Nie tylko o kwazarach”, B. Czerny, M. Sikora, Wydawnictwo Alfa 1988

** „Kłopot z Eureką”, J.-P. Lasota, K. Głowacka, Copernicus Center Press 2020

*** Sagittarius A* przez długi czas był niedostępny do szczegółowych obserwacji, bo zakryty jest chmurami gazu otaczającymi jądro Drogi Mlecznej. Dzięki wieloletnim obserwacjom radiowym, optycznym, podczerwonym, poznaliśmy jednak orbity gwiazd najbliżej okrążających naszą supermasywną czarną dziurę. Przykładowe złożenie symulacji, kompilacji 16-lat obserwacji teleskopem VLT (to cztery sprzężone 8-metrowe teleskopy optyczne) i pomiarów prędkości pokazują najlepiej wyniki ESO (Europejskiego Obserwatorium Południowego) i filmik na stronie:

https://www.eso.org/public/poland/videos/eso0846e/

(najbliższa czarnej dziurze gwiazda, nazwana S2, porusza się po orbicie zaledwie kilkukrotnie większej od rozmiaru Układu Słonecznego)

==============

UZUPELNIENIA – CO ZASZŁO ISTOTNEGO PO 1996

Aby ułatwić innym czytelnikom dalsze poszukiwania, krótko opiszę te obszary, wspomniane w książce, w których nastąpił kluczowy postęp, czy ostatecznie ustalono pewne wątpliwości podane w pracy. Po pierwsze czarne dziury. Ich istnienie jest pewne, w szczególności dowiedziono istnienie supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej (Nobel z fizyki za 2020). Opisany plan projektu detekcji fal grawitacyjnych LIGO został zrealizowany. Dzięki LIGO w 2015 odkryto pierwsze fale grawitacyjne (Nobel 2017). Autorzy wspomnieli o obserwowanym problemie niedoboru neutrin słonecznych (str. 207). Dziś wiemy, że w podróży ze Słońca na Ziemię dokonują one tzw. oscylacji, czyli zmieniają się w cięższe wersje (Nobel 2015). Znamy już najprawdopodobniejsze przyszłe losy Wszechświata, które autorzy mylnie określali jako kolaps (str. 23, 228), nie znając faktu wykrycia w 1998 przyspieszania ekspansji w związku z tzw. ‘ciemną energią’ (Nobel 2011). Stąd kilkukrotne wspomnienia o modelach kosmologicznych (np. str. 94) należy rozszerzyć o wiedzę z XXI wieku. Autorzy zastanawiają się jaki procent masy zlewających się czarnych dziur ulega zamianie w fale grawitacyjne (str. 199). Dziś mając kilkanaście detekcji wiemy, że to mniej więcej 5% całkowitej masy ulatuje w kosmos jako zaburzenie czasoprzestrzeni. Autorzy, analizując odebrany sygnał o wybuchu supernowej SN 1987A (str. 97-98) zastanawiają się, czy neutrina mają masę. Dziś wiemy, na podstawie wspomnianego wykrytego zjawiska oscylacji, że nie są bezmasowe. Astrofizycy opisują projekt LISA – interferometr do pomiaru fal grawitacyjnych, który ma być umieszczony w kosmosie. Plan wciąż jest, ale ma być oparty nie z sześciu, ale trzech instrumentach. Warto wspomnieć też, że opis dynamiki propagacji mgławicy po wybuchu supernowej SN 1987A (str. 42) możemy uzupełnić o fakt wykrycia w jej środku gwiazdy neutronowej (kluczowy artykuł ukazał się jesienią 2019). Stąd mamy pierwszy namacalny dowód wiążący fakt zaobserwowania wybuchu supernowej z powstającą gwiazdą neutronową. Begelman i Rees dają jeszcze dość szerokie widełki (10-20 mld lat – str. 23) na moment Wielkiego Wybuchu. Dziś, na podstawie obserwacji teleskopu Hubble’a i wielu innych instrumentów wiemy, że moment ten nastąpił jakieś 12-14 mld lat temu. Przedmiot zakładu K. Thorna i S. Hawkinga - Cygnus X-1 (najjaśniejsze obserwowane z Ziemi źródło promieniowania gamma) - poznano ostatnio tak dobrze, że niepewności autorów (str. 78) zostały rozwiane. W 2011 ukazała się seria prac, które szczegółowo analizują wyniki obserwacji dowodzących, że obiekt jest układem podwójnym złożonym z błękitnego nadolbrzyma i otoczonej dyskiem akrecyjnym czarnej dziury.