Tijela s najjačim gravitacijskim djelovanjem, za koja se zna da postoje usprkos tome što ih nitko nikada nije vidio.

Crna rupa je svemirsko tijelo za koje se slobodno može reći da je mrtvo. Izgled joj je jednostavno crn, bez imalo svjetlosti. Crna rupa ne isijava svjetlost. Nema svemirskog tijela s manje svojstava. No crne rupe su nekada bile zvijezde, razvijale su se i s vremenom ugasnule. Od zvjezdanih svojstava ostalo im je ono temeljno: masa i privlačna sila, gravitacija.

U cilju da crnu rupu što točnije opišemo valja nam spomenuti kozmičke brzine kojima se gibaju svemirski brodovi. Da bi tijelo postalo Zemljinim satelitom, ono mora postići brzinu od 7,9 km/s, a da bi se sasvim odvojilo od Zemlje, 11,2 km/s; to je brzina oslobađanja. Brzina oslobađanja u slučaju Sunca iznosi mnogo više, čak 620 km/s. Što se događa kada se zahtijeva da brzina oslobađanja dostigne brzinu svjetlosti (300 000 km/s)? Tada se sa svemirskog tijela može osloboditi samo svjetlost. A što onda ako je brzina koja je potrebna da se “stvar” oslobodi veća od brzine svjetlosti? Tada se ni svjetlost ne može odvojiti, nego ostaje zarobljena na zvijezdi. Upravo to je crna rupa. Njezina je privlačna sila toliko jaka da se ni svjetlost, ni ikoje tijelo ne može osloboditi. Mi ne možemo znati zrači li crna rupa svjetlost. Svjetlost se vraća crnoj rupi, zarobljena je na njoj. Da postoje takve zvijezde zamislio je već filozof Pierre Laplace 1798. god., inače poznat po svojoj teoriji o postanku planeta.

Pad u crnu rupu

Pokušajmo zamisliti kakvo bi moglo biti svjedočanstvo astronauta koji se približava crnoj rupi: “Vrtlog usijane tvari kroz koju se giba naš svemirski brod nije udubljen kao vodeni vir, već je ravan. Iz divovske zvijezda kraj koje smo upravo prošli, izvučen je nečijom snažnom privlačnošću divovski pramen vrućeg plina koji se zamata u vrtlog, kao što su na gramofonskoj ploči zamotani urezi. Uvuklo nas je u taj vrtlog i bacaka nas kao na olujnom moru. Gibamo se tako tjednima u plinu kojemu temperatura nadmašuje desetak tisuća stupnjeva, i sve više raste. Sada plin oko nas vrije na više milijuna stupnjeva. Kroz okna bljeska jaka svjetlost, a stakla samih okana fluoresciraju od jake rendgenske svjetlosti. Nosi nas prema središtu vrtloga u kojemu ne vidimo ništa...” Nastavak sjećanja izgledao bi ovako, kad bi se astronaut samo mogao sjećati:

“Bez obzira na to stojimo li ili ležimo, na Zemlji nam sila teža jednako privlači noge i glavu. Ovdje je sasvim drukčije. Ako su nam noge bliže crnoj rupi od glave, razlika privlačenja nogu i privlačenja glave tako je velika da nam se noge otkidaju od tijela, tijelo od glave.... Posljednje što sam spoznao bio je silan bljesak svemira, kao da nas pozdravlja na rastanku. Sva svjetlost zvijezda i galaksija lebdjela je oko mene i mogao sam je doticati. Nisam razabirao otkuda dolazi. Ugledah i vlastita leđa, i to ne jedna, više njih, i sebe sam vidio sa svih strana. Nisam više znao ni gdje je prošlost, ni budućnost, što se to vraća iz budućnosti ili prethodi prošlosti. Ne osjetih više ništa jer živci prestadoše prenositi tjelesne osjete. Molekule su mi se rastavile, atomi razrušili u elektrone i jezgre, i čestice u njima više nisu bile čestice, sve je postalo sasvim jednoliko...”

Fizika crnih rupa

Znanost je predvidjela crne rupe. One su pojave u čijoj blizini vlada osobito jako gravitacijsko polje. Dok je gravitacijska privlačnost slaba, pojave se dadu dobro protumačiti Newtonovom gravitacijskom silom: gibanje planeta oko Sunca, gibanje satelita oko planeta, gibanje Sunca u Kumovoj slami. Radovima Alberta Einsteina ustanovljena je suvremena fizika gravitacije, nazvana općom teorijom relativnosti, koja dovodi do mnogih novih posljedica. Einsteinova teorija opisuje građu prostora i vremena. Prostor prikazujemo ravnom mrežom, ako je bez tijela. Tijela donose masu i tada se prostor – prostorna mreža – zakrivljuje. Kao jedan od prvih dokaza ispravnosti teorije nađeno je da zraka svjetlosti prolazeći kraj Sunca mijenja smjer, kao da je Sunce privlači. Za vrijeme potpune Sunčeve pomrčine godine 1919. ustanovljeno je da su neke zvijezde promijenile položaj. Zvijezde skrivene iza Sunca mogle su se vidjeti pokraj Sunca. Pomak je vrlo malen, ali se opaža.

Poremetnja prostora i vremena tim je jača što je masa svemirskog tijela veća. Prostor najviše iskrivljuju tijela velike gustoće – ona s mnogo mase u malom obujmu, a crna rupa je prvak među njima.

Pojam crne rupe razvio je K. Schwarzschild 1916. godine. On je koristeći Einsteinove jednadžbe ustanovio da mogu postojati takva svemirska tijela koje vlastita gravitacija smrvi, uruši, stegne do najmanje veličine – matematički rečeno, do točke, tj. do singulariteta. Međutim, prije nego što tvar stigne do te točke, ona prolazi kroz ovojnicu koja ograničuje djelovanje crne rupe. Svjetlost i tvar izvan ovojnice može pobjeći, ali kad jednom kroz nju uđe, više ne može van. Ta se ovojnica naziva horizontom događaja. Mi ne možemo zaviriti iza toga “horizonta” i saznati što se tamo događa. Kada se govori o veličini crne rupe, misli se upravo na polumjer horizonta događaja. Polumjer horizonta događaja za tijelo Sunčeve mase iznosi 3 km, a za tijelo koje ima 10 puta veću masu iznosi 30 km. Pravilo je dakle jednostavno: što crna rupa ima veću masu, razmjerno je veći i njezin polumjer. Crna rupa od 300 milijuna sunaca imala bi polumjer 13 puta veći od Sunca, a ona od milijardu sunaca narasla bi na čitav planetski sustav; imala bi polumjer od 20 astronomskih jedinica i dosegla bi do Urana.

Svojstva crne rupe veoma su jednostavna. To je najjednostavnije fizičko tijelo. Pri ulasku u nju sve se razgrađuje, gube se razlike među tijelima, među atomima i molekulama, među česticama. Jednostavan je i način na koji dolazi do razgradnje tvari. Astronaut iz gornje priče osjetio je da mu crna rupa jače privlači stopala nego glavu, jer su mu stopala bila bliže njezinu središtu. Razlika gravitacijske sile tako je jaka na sasvim malim razmacima, pa se sva tijela moraju razdvojiti. Slična je na Zemlji pojava plime, koja nastaje tako što Mjesečeva privlačna sila jače privlači bližu nego udaljeniju Zemljinu stranu, pa razdvaja dijelove Zemlje i izaziva plimu s obje Zemljine strane. No to plimno razdvajanje neusporedivo je slabije od plimnog djelovanja crne rupe.

Svojstva tvari unutar crne rupe mogu se opisati samo masom, električnim nabojem i jednom fizičkom veličinom koja se zove kutni impuls. U crnoj rupi nestaje razlike između žirafe i gitare.

Teoretičari vjeruju da su unutar crne rupe prostor i vrijeme posve poremećeni, tako da može doći do velikih iznenađenja. Zato se javljaju i sasvim fantastične ideje da se, primjerice, iz jedne crne rupe može putovati u drugu, iz jednog svemira u drugi. Ali to ne bi mogli ljudi, niti ikakva tijela s posebnim osobinama, već samo materija kao takva, jer – kako smo vidjeli – tijela gube svoje obličje.

Prilikom pada svemirskog broda u crnu rupu, astronauti bi put doživljavali kao u normalnom tijeku vremena, jedino što bi zbog jakih razlika gravitacijske sile koja se jako brzo mijenja s udaljenošću, bili rastavljeni. Sliku njihova broda udaljeni bi promatrač vidio, međutim, sasvim drukčije, kao da je zastala. Činilo bi se da je brod ostao visjeti, bez pokreta, jedino bi se njegove boje postupno gasile, godinama i godinama... Posljedice su to Einsteinove teorije relativnosti.

Kako nastaje crna rupa?

Crna rupa je jedan oblik mrtve zvijezde. Pritom se misli na takvu zvijezdu u čijem središtu ne postoje nuklearne reakcije kao izvor energije kojim se stvara svjetlost. Kako se nuklearno gorivo troši i istroši, ponestaje sile koja podržava zvijezdine slojeve da ne propadnu do središta i da se zvijezda pod vlastitom privlačnom silom ne stegne. Kad umre, ona može biti niz objekata sve manjih dimenzija: bijeli patuljak, neutronska zvijezda, crna rupa. Bijeli patuljak se rađa s postupnim razvojem velike zvijezde kojoj atmosfera odleti, ostavivši malu jezgru veličine Zemlje. Neke se zvijezde urušavaju u zvjezdanoj katastrofi, kada jedan njihov dio eksplodira, a središnji se dio uruši sam u sebe. To je pojava supernove; tada se dimenzije zvijezde smanjuju skokovito, naglim sažimanjem, ili implozijom.

Koji su objekti predodređeni da postanu crnom rupom? Mnogo je kandidata za crne rupe. Najvažniji uvjet koji se od zvjezdanog kandidata zahtijeva jest njegova fizička masa. Zvijezde koje u svom razvoju nisu nikada imale više od tri Sunčeve mase uopće se ne mogu natjecati. Odmah ispadaju iz konkurencije. Zvjezdani ostatak manji od 1,4 Sunčeve mase je bijeli patuljak. Neutronske zvijezde su zvjezdani ostaci veći od 1,4 Sunčeve mase, a crne rupe moraju imati masu barem tri puta veću od Sunčeve da bi to mogle biti. Naputak je zato jednostavan: crne rupe treba tražiti među masivnim svemirskim tijelima. Koliko je naputak jednostavan, toliko ga je teško slijediti. Gdje naći zvijezdu koju ne vidiš, a ima masu veću od tri Sunca?

Astronomi su sigurni da će crnu rupu najlakše otkriti u sklopu s drugom zvijezdom, tj. kod dvojnih zvijezda koje su jedna drugoj jako blizu. Tada se atmosfera jedne zvijezde svlači i pretače na drugu, a mjerenja pružaju podatak o masi obiju zvijezda. Premda se jedna zvijezda ne vidi, ponašanje one koja je vidljiva otkriva stanje cijelog sustava. Najsigurniji kandidati za crnu rupu u bliskoj dvojnoj zvijezdi su: izvor rendgenskog zračenja u zviježđu Labud Cyg X-1, izvor u Velikom Mageljanovom oblaku LMC X-3 i zvijezda pod brojem A0620-00. Izvor u Labudu je dvojna zvijezda s periodom obilaska jednakim 5,6 dana. Vidljiva je zvijezda veoma sjajna i divovska, s masom od oko 20 Sunčevih masa, a nevidljiva zvijezda ima barem 4 Sunčeve mase. Iz područja veličine Zemlje, smještenog oko nevidljive zvijezde, dopire rendgensko zračenje koje izmijeni jakost u tisućinki sekunde.

Svemirski usisivači

O prisustvu crne rupe najlakše se može saznati na temelju njezina gravitacijskog djelovanja. Velika masa usredotočena u malom prostoru ima veoma jako okolno gravitacijsko polje. Sve što crnoj rupi priđe previše blizu biva usisano. Crne su rupe veliki svemirski usisivači.

Brzine gibanja oko crne rupe otkrivaju crnu rupu! Jako gravitacijsko polje uzrokuje velike brzine gibanja tijela. Kada bi Zemlja imala dva puta veću masu, brzina gibanja njezinih satelita morala bi biti veća. Brzinom rotirajućeg diska procjenjuje se masa uskladištena u središtu vrtloga. Velika i snažna aktivnost, uzburkani plinovi, guste nakupine zvijezda i međuzvjezdanog materijala, jako zračenje u širokom spektru znaci su oslobađanja gravitacijske energije u okolini crne rupe.

Većina fizičara drži da crne rupe postoje. Mišljenje je utemeljeno na rastućem broju slučajeva koji se, eto, ne mogu rastumačiti drukčije. Opažački materijal sve je temeljitiji i brojniji. U velikim i gustim zvjezdanim naseobinama smjestit će se i velike crne rupe nastale dugogodišnjim usisivanjem zvijezda i međuzvjezdanih oblaka.

Ako postoje crne rupe koje imaju masu od više milijuna Sunaca, one se moraju nalaziti u najgušćim dijelovima zvjezdanih naseobina. Najprije ih valja tražiti u posebno aktivnim galaksijama.

U središtima galaksija

Prisutnost crne rupe očituje se materijalom koji pada na nju. Materijal pada u zavojima sa znatnim ubrzanjem i postiže veliku brzinu. Nađeno je da u središtu galaksije M84, koja se nalazi u centru jedne velike skupine galaksija u zviježđu Djevici, tvar na udaljenosti od 26 godina svjetlosti od centra struji brzinom od 400 km/s. Iako se sama galaksija udaljava od nas, dio središnje tvari giba se velikom brzinom prema nama, a dio se giba još većom brzinom od nas. To je jasan znak da se tvar zapravo vrti oko središta galaksije i da se nalazi u objektu koji ima oblik vrtložnog diska u čijem je središtu izvanredno snažno gravitacijsko polje. Vrtlog se jednim rubom giba prema nama, a drugim od nas. Galaksija M84 može imati crnu rupu od 300 milijuna Sunčevih masa.

Ima više galaksija-kandidata za crne rupe. Prvoj je namjere otkrio HST 1994. godine. To je galaksija M87 koja se tekođer nalazi u skupini galaksija kao i M84, a slijede NGC4258 te NGC4261. NGC4261 veoma je zanimljiva. Njezin središnji dio sliči na veoma uređen kotač.

M87 je velika eliptična galaksija čija je vidljiva masa deset puta veća od mase Kumove slame. Središte galaksije u žestokom je previranju. Iz njega istječe plinoviti mlaz koji se giba veoma velikom brzinom, gotovo brzinom svjetlosti. Odijeljen je na čvorove, a svaki je čvor veličine od deset godina svjetlosti. U središtu galaksije, izvoru mlaza, zapaža se disk koji se brzo okreće oko osi, a brzina plina u disku svjedoči o masi od 3 milijarde Sunčevih masa. Središte galaksije strijelja svemir plinovitim mecima.

Još bliže nego NGC4261 i M87 nalazi se čudna galaksija u Kentauru koja nosi različita imena: NGC5128, Centaurus A, Centaurus X-1. Prvi naziv slijedi iz snimanja na običnim fotografijama, u vidljivoj svjetlosti. Drugi naziv označava najjači izvor radiovalova u zviježđu Kentaur. Treći naziv označava najjači izvor X-zraka, tj. rendgenskog zračenja u tom zviježđu. Udaljena je “samo” 14 milijuna godina svjetlosti i najbliža nam je aktivna galaksija; samo je sedam puta dalje od velike Andromedine maglice! To je veoma složena galaksija. Na temelju višegodišnjeg ispitivanja došlo se do zaključka da je složena od jedne eliptične galaksije i od jedne spiralne. Spirale se vide u središtu eliptične galaksije jako poremećene. Posljedica je to sudara u kojemu je veća i masivnija eliptična galaksija progutala spiralnu.

Obična svjetlost otkriva tamni rastrgani oblak preko središta galaksije. Radioteleskopi otkrivaju kako iz tog tamnog središta gotovo okomito sukljaju plinoviti oblaci, ispunjeni brzim elektronima, dakle električnim strujama, koje ujedno označavaju izvore jakih radiovalova. Svemirski teleskop, bez kojega nema niti jedne prave dogodovštine, snimio je galaksiju vrlo dugim valovima koji se nalaze u infracrvenom području spektra. Kako se infracrvenim naočalama-dalekozorima služe ljudi u noćnom mraku, tako astronomi pomoću infracrvenog spektra snimaju dijelove galaksije koji su zamračeni oblacima međuzvjezdanog plina i praha. Rezultat nalaza je gotovo zbunjujući. U galaksiji se nalazi ne samo jedan već čitav sustav diskova, jedan unutar drugoga, s time da se ne vrte u istoj ravnini, već su različito orijentirani. Vrteći se u složenoj igri kolutova, isisavaju se golemi plinoviti oblaci i izbacuju iz središta gradeći radiofarove. Masa crne rupe koja je u jezgri te gužve ne može se još odrediti. Mogla bi biti i milijardama puta veća od Sunčeve.

Središta mnogih galaksija su aktivna. Posebno se to odnosi na vrstu galaksija prozvanu kvazarima. Njihovom svjetlošću do nas pristiže energija koja je oslobođena u njihovim središnjim crnim rupama koje su veoma aktivne, što znači da imaju veoma mnogo materijala koji na njih pada. U padu dolazi do jakog zagrijavanja i toplina se očituje naglim širenjem plinovitih oblaka u obliku mlazova ili zračenjem: svjetlošću, radiovalovima, rendgenskim zračenjem. U slučaju M87 javlja se mlaz plina, u slučaju radiogalaksija radiovalovi, a u slučaju kvazara i jaka svjetlost i brzi mlazovi plina.

U središtu Kumove slame

Naša je galaksija sasvim obična. Nije jako sjajna niti je posebne veličine. Ima li ipak možda i ona kakvu supermasivnu crnu rupu u svom središtu? Možda više nije aktivna? Veliko je znanstveno pitanje čega sve ima u središtu naše galaksije. Nije pitanje samo u tome da se otkrije crna rupa s velikom koncentracijom mase, već da se shvati kako se galaksije, bile one obične ili neobične nakupine zvijezda i međuzvjezdanog materijala, razvijaju.

Astronomkinja A. Ghez prati od godine 1995. gibanje nekoliko stotina zvijezda pomoću velikog teleskopa Keck I na Havajima. Zvijezde su odabrane zato što se nalaze blizu središta Kumove slame. Da bi umanjila destruktivno djelovanje atmosfere kojim je slika jako narušena, astronomkinja se koristi najnovijim tehnikama optike. Ustanovila je da se 20 zvijezda iz odabrane grupe giba brzinama od 1300 km/s, što je nezamislivo brže od običnih zvijezda – čak desetak puta brže! Ali radi se o tome da su one udaljene od centra samo 2000 astronomskih jedinica (Pluton je udaljen od Sunca 40 astronomskih jedinica).

Ovaj podatak o brzini vodi na podatak o masi “naše” crne rupe: 2,6 milijuna Sunčevih masa. Još nešto: jedna je zvijezda nestala iz vidnog polja, i to ona koja je u to vrijeme bila najbliže galaktičkom centru! Položaj centra Kumove slame označen je tajanstvenim izvorom radiovalova Sagittarius A*. Taj se izvor ne giba, svi ostali dijelovi Kumove slame gibaju se oko njega. Crna rupa zaista nije posebno atraktivna. Vrlo malo prisvaja i sporo raste. Dodatna neobičnost pojave crne rupe je u tome što broj objekata naglo raste u njezinu smjeru i zvijezde se fizički jako razlikuju od Sunca.

Svemirska hrid

Ne moramo se bojati crne rupe u centru naše galaksije jer je od nas udaljena čak 24 000 godina svjetlosti. Ali, moramo se bojati crne rupe koja bi se iznenada pojavila na putanji Sunca kroz Kumovu slamu. Sunce se milijunima godina giba kroz Kumovu slamu. Za jedan obilazak treba mu 230 milijuna godina. Možda je pri prošlim obilascima susrelo neku crnu rupu, možda je njezina privlačnost poremetila raspored planeta ili čak dodala pokoji, nalik Plutonu. Neki astronomi predvidjeli su da prolazak kroz tamne i guste oblake međuzvjezdane tvari dovodi do ledenih doba na Zemlji, pa bi tako mogli nabasati i na crnu rupu.

Kako bismo uopće mogli vidjeti osamljenu crnu rupu? Uočili bismo je ovako. U krugu njezina dohvata vidjeli bismo mrak – niti jedne zvijezde. Oko toga mraka bila bi ogrlica od svjetlosti mnogobrojnih zvijezda. Sva svjetlost koja od zvjezdanog neba prolazi pokraj crne rupe, vidljivo se svija. Čak štoviše, umjesto jedne zvijezde vidimo dvije njezine slike – po jednu sa svake strane mračnog kruga – pa tako pokraj crne rupe vidimo zapravo cijelo nebo.

Bolje da je ne ugledamo. Bolje da ostane pokraj nas, da nam samo domahne. Ne bi bilo dobro nasukati se na nju.