Kad god se spomene crna rupa, u razgovoru se gotovo uvijek pojave dva pojma, horizont događaja i singularnost. To je, kažu udžbenici, ono što definira crnu rupu. No stvar nije toliko jednostavna. Neki fizičari tvrde da crne rupe uopće ne moraju imati singularnost, a ako je nemaju, možda nemaju ni pravi horizont događaja.
Matematičke crne rupe i one stvarne
Kako piše Universe Today, za početak, treba razlikovati dvije vrste crnih rupa. Jedne postoje u teoriji opće relativnostim to su matematička rješenja Einsteinovih jednadžbi gravitacijskog polja, tzv. metrički modeli. Prvi takav opis dao je Karl Schwarzschild, koji je izračunao rješenje za jednostavnu, ne-rotirajuću crnu rupu. Kasnije su otkriveni i drugi metrički modeli, među njima i poznata Kerrova metrika iz 1963. godine, kojom je Roy Kerr opisao rotirajuću, električki neutralnu crnu rupu. Upravo taj model poslužio je za vizualne prikaze crnih rupa u filmovima poput Interstellar.
Drugu skupinu čine stvarno opažene crne rupe, primjerice M87* te Sagittarius A*/Strijelac A*, golem objekt u središtu naše galaksije. Zahvaljujući Teleskopu Event Horizon, znamo da se te crne rupe doista okreću i da struktura prostora neposredno iznad njihova horizonta odgovara gotovo savršeno onome što predviđa Kerrova metrika.
Naravno, ni jedan teleskop ne može vidjeti unutrašnjost crne rupe. Ne znamo ima li u središtu zaista singularnost, niti možemo izravno vidjeti sam horizont događaja, svjetlost koja ga prijeđe zauvijek je izgubljena. Iako ništa ne upućuje na to da singularnosti ne postoje, teorijski modeli koji ih zaobilaze i dalje su mogući.
Problem beskonačnosti
U matematičkom opisu crnih rupa singularnost se pojavljuje prirodno, ali ona izaziva ozbiljne probleme. Singularnost je točka beskonačne gustoće i nultog volumena, mjesto gdje fizikalni zakoni prestaju vrijediti. Upravo zato fizičari ponekad pribjegavaju tzv. hipotezi kozmičke cenzure, prema kojoj su sve singularnosti skrivene iza horizonta događaja, kako ne bi izravno remetile fizikalni poredak svemira.
No ni horizont događaja nije bez problema. Budući da ništa što ga prijeđe više ne može izaći, informacija sadržana u objektu koji upadne u crnu rupu zauvijek je izgubljena, što stvara tzv. paradoks informacije. Fizičari tako kruže u začaranom krugu: singularnost stvara problem beskonačnosti, a horizont događaja problem nestanka informacija.
Jedan od mogućih izlaza iz tog kruga jest pronaći model crne rupe koji uopće nema ni singularnost ni pravi horizont događaja. Jer, opća relativnost, koliko god bila precizna, ipak je klasična teorija. Svemir, međutim, funkcionira kvantno, pa bi i gravitacija trebala imati svoju kvantnu verziju.
Kad kvantna fizika mijenja igru
Heisenbergovo načelo neodređenosti kaže da masa i položaj ne mogu biti istodobno savršeno određeni. To znači da kvantna priroda materije vjerojatno sprječava nastanak beskonačno guste točke. Uz to, Hawkingovo zračenje, teoretski proces kojim crne rupe mogu polako gubiti masu, pokazuje da energija, pa čak i informacija, možda ipak mogu napustiti crnu rupu.
U nekim kvantnim teorijama gravitacije, poput teorije petlji (loop quantum gravity), prostorvrijeme nije glatko, nego ima mikroskopsku “pjenuastu” strukturu. U takvom okviru, crna rupa bi u svojoj unutrašnjosti mogla formirati tzv. Planckovu zvijezdu umjesto singularnosti. U teoriji struna pojavljuje se sličan koncept, fuzzball, gdje singularnost zamjenjuje kugla isprepletenih kvantnih struna. Postoje i alternativne klasične teorije koje pokušavaju riješiti te nedostatke opće relativnosti bez uvođenja kvantne gravitacije.
Haywardov model: crna rupa bez singularnosti
Ali što ako jednostavno zadržimo Einsteinovu teoriju, uz jednu dodatnu zabranu, singularnosti nisu dopuštene? Je li takvo rješenje moguće? Ispostavlja se da jest: poznato je kao Haywardova metrika.
Haywardov model predstavlja najjednostavnije rješenje Einsteinovih jednadžbi koje je statično, sferno simetrično, asimptotski ravno, i bez singularnosti. Schwarzschildov model zadovoljava iste uvjete osim posljednjeg, pa se može reći da je Haywardova crna rupa zapravo ne-rotirajuća Schwarzschildova crna rupa kojoj je uklonjena singularnost. Taj naizgled mali detalj donosi niz posljedica.
Prva je očita: u Haywardovoj crnoj rupi prostor ne tone beskonačno prema točki bez povratka. Umjesto toga, središte je lokalno ravno, gotovo poput bilo kojeg drugog dijela svemira. Druga, suptilnija promjena jest da takva crna rupa nema pravi horizont događaja, već prividni horizont, površinu koja privremeno zarobljava materiju i energiju, ali ih s vremenom polako ispušta. Taj proces nalikuje Hawkingovu zračenju, ali ne zahtijeva kvantnu fiziku.
Za supermasivne crne rupe te bi razlike bile gotovo nemjerljive: Haywardov i Schwarzschildov model davali bi gotovo iste rezultate. To znači da sve što zasad opažamo u svemiru ne isključuje mogućnost da su crne rupe zapravo Haywardove, a ne Schwarzschildove.
Glavni problem ostaje: ne znamo postoji li fizički mehanizam koji bi spriječio nastanak singularnosti. Haywardov model jednostavno postavlja ograničenje “po definiciji”. No ako bi se pokazalo da je takav pristup točan, svi beskonačni paradoksi i informacijske dileme koje prate crne rupe možda bi doista bili, besmisleni.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
