Międzygwiezdna misja mająca na celu zbadanie czarnej dziury z bliska: science fiction czy rzeczywistość?

Czarne dziury to jedna z największych zagadek wszechświata. Nawet najwybitniejsze umysły współczesnej fizyki nie były w stanie rozwikłać, co dokładnie dzieje się w ich wnętrzu, gdzie kryje się punkt o nieskończonej gęstości, znany jako osobliwość . Nie wiadomo też, co się dzieje, gdy czarne dziury przekroczą swoją granicę, tzw. horyzont zdarzeń . Istnieje kilka teorii, ale prawie żadnych pewników. Znane z tak silnego przyciągania grawitacyjnego, że nawet światło nie może się z niego wydostać, te duchy niegdyś gigantycznych gwiazd reprezentują znacznie więcej niż tajemnicze obiekty kosmiczne: są naturalnymi laboratoriami do testowania granic fizyki.

W tym kontekście znany fizyk teoretyczny Cosimo Bambi , badacz z Uniwersytetu Fudan (Szanghaj, Chiny), proponuje pomysł, delikatnie mówiąc, śmiały: wysłanie maleńkiego statku kosmicznego do czarnej dziury znajdującej się najbliżej Ziemi, z misją zebrania danych z pierwszej ręki i sprawdzenia, czy to, co Albert Einstein przewidział w swojej ogólnej teorii względności ponad 100 lat temu, pozostaje aktualne w ekstremalnych warunkach. Jego propozycja została opublikowana w czwartek w czasopiśmie iScience , należącym do grupy Cell Press.

„To prawda” – zaczyna Bambi w rozmowie wideo z Chin – „brzmi jak science fiction, ale nie sądzę, żeby tak było. To coś realistycznego, nie na razie, ale na kilka najbliższych lat”. Plan nakreślony przez fizyka opiera się na i tak już ryzykownym założeniu: istnieniu czarnej dziury 20 lub 25 lat świetlnych od Ziemi. Pierwszym wyzwaniem byłoby jej znalezienie. Wykrycie jednego z tych kosmicznych potworów w izolacji jest trudne, ponieważ nie emitują one światła ani innych form promieniowania, więc ich istnienie można wnioskować jedynie na podstawie interakcji z innymi obiektami, tak jakby były niewidzialnymi olbrzymami. Najbliższy znany obiekt znajduje się 1560 lat świetlnych od naszej planety. Bambi jednak upiera się, że rachunek prawdopodobieństwa i użycie radioteleskopów lub detekcja fal grawitacyjnych mogłyby pomóc w zlokalizowaniu bliższego obiektu. Zatem, według obliczeń autora, nanosondzie zajęłoby od 60 do 75 lat, aby dotrzeć do czarnej dziury, a transmisja danych wydłużyłaby ten czas o kolejne 25 lat. Łącznie projekt miałby trwać od 80 do 100 lat.

Po pokonaniu tego początkowego wyzwania rozpocznie się wyścig technologiczny. Propozycja Bambi zakłada użycie nanostatków, czyli maleńkich, specjalnych sond ważących zaledwie kilka gramów, wyposażonych we wszystkie niezbędne instrumenty pomiarowe, oraz żagli, które byłyby napędzane potężnymi wiązkami laserowymi z Ziemi z prędkością równą jednej trzeciej prędkości światła.

Następnie pojawia się trzecie wyzwanie: co zrobić, gdy misja osiągnie swój cel. Fizyk proponuje kilka procesów weryfikacyjnych, w tym funkcjonowanie czasoprzestrzeni wokół czarnej dziury, sprawdzenie istnienia horyzontu zdarzeń i zbadanie, czy fundamentalne stałe fizyki zmieniają się w obecności tak intensywnych pól grawitacyjnych. Aby to zrobić, Bambi uważa, że idealnym podejściem byłoby wysłanie dwóch nanostatków. Jeden — nazwijmy go A — pozostawałby w pewnej odległości i monitorował drugi — B — który krążyłby w pobliżu czarnej dziury, emitując okresowe sygnały. Zmiany w tych sygnałach ujawniłyby, czy metryka jest zgodna z przewidywaniami teoretycznymi. Drugi eksperyment badałby istnienie horyzontu zdarzeń . Statek B spadałby w kierunku czarnej dziury , a A mierzyłby, jak długo jego sygnał pozostaje aktywny przed zniknięciem.

Wszystko to, jeśli statek kosmiczny zdoła wejść na orbitę i przetrwać w tak nieprzyjaznym środowisku. „Nie twierdzę, że jest to możliwe już teraz, ale zasługuje na dyskusję w społeczności” – wyjaśnia naukowiec. Dodaje, że celem jego pomysłu jest „pobudzenie” współpracowników i sprawdzenie, czy filary, na których od ponad wieku opiera się współczesna fizyka, są nadal wystarczająco solidne.

Najstarsza czarna dziura

„Ostatecznie nie chodzi tylko o odpowiedzi na pytania naukowe , ale także filozoficzne, takie jak to, czym dokładnie jest czas lub pochodzenie wszechświata” – podkreśla Bambi. Są to zagadki, których obecny sprzęt nie jest w stanie rozwiązać, nawet gdyby próbował. Jednak niektóre narzędzia, takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, wciąż dostarczają niespodzianek. Najnowsze, opublikowane w tym tygodniu w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters , wykryło najstarszą aktywną czarną dziurę. Analiza światła emitowanego przez galaktykę CAPERS-LRD-z9 – znajdującą się ponad 13,3 miliarda lat świetlnych od Ziemi – pozwoliła naukowcom znaleźć odcisk palca czarnej dziury 300 milionów razy masywniejszej od Słońca, osadzonej w jej centrum i już tam siejącej spustoszenie, gdy wszechświat miał zaledwie 500 milionów lat.

Niektóre z postulatów poruszanych w artykule o Bambi opierają się na znanych technologiach. Na przykład wykorzystanie nanostatków napędzanych wiązkami światła. W 2016 roku Stephen Hawking i inni astronomowie przedstawili projekt Breakthrough Starshot , mający na celu dotarcie do Alfa Centauri, najbliższego Słońcu układu gwiezdnego, za pomocą tych urządzeń. Eksperci, z którymi przeprowadzono konsultacje, byli jednak dość sceptyczni wobec planów Bambi.

„Ten projekt wydaje mi się nierealistyczny” – zauważa Pablo Pérez González, badacz z Centrum Astrobiologii CSIC. Naukowiec zgadza się, że zainteresowanie badaniem obiektu astronomicznego z bliska jest „niezwykłe” ze względu na ilość informacji , jakie można dzięki temu uzyskać. „To jak porównanie widoku kota na telefonie komórkowym z dotykaniem, wąchaniem lub słyszeniem” – twierdzi. Uważa jednak, że przed pochopnym pisaniem teorii należy rozważyć wykonalność i opracować realistyczny plan. „Myślenie o czymś takim jest godne pochwały i interesujące; to jak przejście od czytania o wizycie na Księżycu w książce Juliusza Verne’a do faktycznego jej wykonania. Ale czy to nauka?”

Carlos Barceló, badacz z grupy fizyki teoretycznej w Instytucie Astrofizyki Andaluzji, wskazuje na podobny kierunek. „Myślę, że ten pomysł to ukierunkowana spekulacja. Badacz jest dobrze znany w dziedzinie grawitacji, więc naprawdę wie, o czym mówi, ale jego artykuł jest wysoce spekulatywny” – komentuje. Dla Barceló każdy z punktów opracowanych w planie Bambi wiąże się z niezwykle wysokim poziomem rozwoju technologicznego, więc trudno powiedzieć, czy będzie on wykonalny przez następne 100 lat. „Margines błędu jest ogromny. To bardziej pasuje do eseju niż artykułu naukowego” – zauważa.

Bambi nie zniechęca się. „W nauce eksperymenty i pomysły często nie są na jedno pokolenie i często trwają latami” – wyjaśnia. Dla niego „prawdziwym wyzwaniem w tym wszystkim jest szczęście”. Astrofizycy nie wiedzą , gdzie znajduje się najbliższa czarna dziura . „Gdyby znajdowała się 20 lat świetlnych od nas, misja byłaby możliwa; gdyby była oddalona o 40 lub 50 lat, stałaby się znacznie bardziej kosztowna i skomplikowana, a projekt musiałby zostać porzucony” – twierdzi.

Odkrycie tak pobliskiej czarnej dziury byłoby już ogromnym przełomem i wzbudziłoby zainteresowanie społeczności naukowej. „Prawdziwym wyzwaniem jest przekonanie kolegów, że to się opłaca. Jeśli będzie motywacja, technologia może zostać rozwinięta” – wyjaśnia Bambi. W tym kontekście Pérez González podkreśla, że misje międzygwiezdne do pobliskich gwiazd „są znacznie bardziej realne” i że „część celów przedstawionych przez autora mogłaby zostać zrealizowana”.

Barceló zgadza się: „Stymulowanie tworzenia mikrosatelitów, które można wysyłać w odległe miejsca w bardziej rozsądnym czasie, jest bardzo interesujące i prędzej czy później zostanie rozwinięte”. W rzeczywistości trwają już badania nad wysyłaniem mikrosatelitów napędzanych tymi technologiami na planety znajdujące się na krańcach Układu Słonecznego. „Wydaje mi się to najbardziej wykonalne” – dodaje.