Czarne dziury, ciemna materia i ciemny sektor – to wszystko brzmi trochę jak czarna magia. Może wyjaśnijmy na początku, co kryje się pod tymi tajemniczymi pojęciami.
Ciemna materia to nieznany składnik naszego Wszechświata, stanowiący aż ok. 27% jego masy. Dzięki zakrzywieniu promieni świetlnych przez duże skupiska mas, czyli tzw. soczewkowaniu grawitacyjnemu przewidzianemu przez ogólną teorię względności Einsteina, możemy zaobserwować rozkład ciemnej materii na odległościach kosmologicznych rzędu milionów lat świetlnych.

Kosmiczne obserwacje klasterów galaktyk odległych od nas o miliardy lat świetlnych pokazują miejsca, w których zakrzywiają się promienie świetlne (brak jest tam materii widzialnej), co wskazuje, że każda z galaktyk otoczona jest olbrzymią chmurą ciemnej materii. Z kolei cząstki owej materii, stanowiące tzw. ciemny sektor, nie zostały do tej pory zarejestrowane przez eksperymenty przeprowadzone na Ziemi.

Pana projekt pn. „Ciemne obiekty w badaniu ciemnego sektora” uzyskał finansowanie w konkursie OPUS 23 Narodowego Centrum Nauki. Jakie są jego założenia?
Oddziaływanie ciemnego sektora z czarnymi obiektami, takimi jak czarne dziury i ich wielowymiarowe odpowiedniki oraz tunele czasoprzestrzenne, to temat w dużej mierze nieopracowany. Projekt, który prowadzę, ma charakter czysto teoretyczny, jego głównym celem jest znalezienie cech charakteryzujących ciemny sektor. Będziemy rozważać trzy modele ciemnego sektora: aksjonowy model ciemnej materii, w którym kluczową rolę odgrywa człon łączący tensor pola Maxwella z polem aksjonowym; model ciemnego fotonu, gdzie teoria Einsteina-Maxwella jest uzupełniona dodatkowym polem cechowania typu U(1) (tzw. ciemny foton) oraz model ciemnego aksjonu, gdzie pole aksjonowe jest sprzężone z polem Maxwella i polem ciemnego fotonu. Przede wszystkim skupimy się na procesach, jakie zachodzą w pobliżu czarnych obiektów, a więc na położeniu chmury ciemnej materii i wpływie parametrów obiektu na jej rozkład. Przyjrzymy się też zjawisku formowania sieci kosmicznej i udziału ciemnego sektora w tym procesie. I choć powstanie sieci kosmicznej z ciemnej materii, na której następuje kondensacja materii widzialnej, zostało niedawno zaobserwowane przez teleskop Hubble’a, to w dalszym ciągu to zagadnienie stanowi istotne wyzwanie dla współczesnej fizyki teoretycznej i astrofizyki. Mając na uwadze przyszłe obserwacje dokonywane przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń, chcemy przyjrzeć się bliżej problemowi silnych pól magnetycznych, pochodzących z ciemnego sektora i ich wpływu na fizykę supermasywnych czarnych dziur.

A mówiąc prościej?
Za pomocą metod matematycznych będziemy budować model zjawiska fizycznego, a potem porównamy ten model z doświadczeniem, obserwacją astrofizyczną. Powstałe teorie zaimplementujemy do ogólnej teorii względności. Jeżeli osiągniemy zupełnie inne wyniki, niż wskazywałoby doświadczenie, to uzupełnimy nasz model tak, aby jak najdokładniej odtwarzał efekty obserwacji astrofizycznych. Będziemy budować modele ciemnej materii, przypuszczając, że pewne cząstki mogą stanowić ciemną materię, tworzyć ciemny sektor i sprawdzać zgodność z efektami doświadczalnymi trochę po omacku. Niestety nie wszystko to, co widzimy podczas współczesnych obserwacji astrofizycznych, potrafimy opisać dokładną teorią.

Poza tym oprócz ciemnej materii jest jeszcze ciemna energia, która stanowi ponad 70% masy naszego Wszechświata i powoduje gwałtowne przyspieszenie jego rozszerzania. Jeszcze do niedawna nikt nie brał pod uwagę istnienia takiego składnika masy naszego Wszechświata. Ludzie myśleli, że tempo jego rozszerzania zwalnia. Okazało się jednak, że on cały czas coraz szybciej się rozszerza.

A co to znaczy, że Wszechświat się rozszerza?
Odległości między galaktykami zwiększają się coraz bardziej, co powoduje powstanie między nimi bardzo dużych pustych obszarów. Najczarniejszy scenariusz zakłada, że z naszego pola widzenia znikną wszystkie galaktyki. Te bliższe skupią się w jedną supergalaktykę, która zapadnie się w czarną dziurę. Doświadczenia i obserwacje astronomiczne wyprzedziły ich interpretacje. Pełne zrozumienie fizyki Wszechświata ciągle wymyka nam się z rąk.

Czarne dziury są czarne?
Nie do końca. Promieniowanie Hawkinga zakłada, że czarne dziury mogą emitować promieniowanie o określonej temperaturze. Jednak, żeby dostrzec czarną dziurę, potrzebujemy zewnętrznego składnika, na który ona oddziałuje. Na przykład jeżeli do czarnej dziury wpada dużo gazu, to cząstki materii, które powstają wokół jej granic, wskutek tarcia wytwarzają promieniowanie różnej długości fal, co jest widoczne. Czarną dziurę możemy również „dostrzec”, kiedy zakrzywia promieniowanie świetlne w efekcie soczewkowania grawitacyjnego. Czarne dziury wytwarzają tak silną grawitację, że przyciągają wszystko, żadne fotony nie są w stanie oderwać się od ich powierzchni.

Załóżmy, że hipotetycznie wpadlibyśmy do czarnej dziury. Możemy z niej powrócić?
Wiemy, że czarne dziury wciągają wszystko, ale nie wiemy, co dzieje się w ich środku. Jest kilka rodzajów czarnych dziur, np. statyczna typu Schwarzschilda, naładowana czarna dziura typu Reissnera-Nordströma, która charakteryzuje się masą i ładunkiem, a także posiada tzw. horyzont wewnętrzny dający hipotetycznie możliwość przeniesienia się w inny wszechświat, oraz rotacyjna czarna dziura typu Kerra. To wszystko oczywiście pozostaje w świecie teorii, jeszcze nie wiemy, jak przekłada się na rzeczywistość.

Wydaje się, że im mniejsza czarna dziura, tym jej bezpośrednie oddziaływanie na nas, czyli tzw. efekt spaghettifikacji – rozciągnięcia obserwatora wpadającego do niej, jest większy. A im większa czarna dziura, czyli promień horyzontu zdarzeń jest większy, tym efekt naszego „rozciągnięcia” jest mniejszy. Na przykład jeżeli wpadlibyśmy w supermasywną czarną dziurę M87 o masie miliardy razy większej od masy Słońca, to efekt spaghettifikacji byłby mały, bo ta dziura jest olbrzymia. Co ciekawe, jej grawitacja jest na tyle silna, że czas ulega zamrożeniu. W efekcie tego obserwator w nieskończoności widziałby, jak zbliżamy się do jej brzegu, coraz bliżej i bliżej, ale nie zobaczyłby naszego zniknięcia w czarnej dziurze. Z kolei my w skończonym czasie moglibyśmy przelecieć przez horyzont czarnej dziury. Oczywiście taki horyzont działa niczym membrana jednostronna, więc jeśli wlecimy z jednej strony, to możemy z niej wylecieć tylko drugą, np. białą dziurą, która jest odbiciem zwierciadlanym. Czarne dziury, tunele czasoprzestrzenne, z angielska zwane dziurami robaczanymi (wormhole), to nie tylko elementy powieści science fiction, ale także zjawiska naukowe, nad którymi od lat prowadzi się badania w oparciu o ogólną teorię względności Einsteina.

Czy jest jakiś teoretyczny przepis na gwiezdne wrota?
To bardzo proste: znajdujemy sobie czarną dziurę, wrzucamy do niej ciemną energię i okazuje się, że z tej czarnej dziury robią się gwiezdne wrota. A jeszcze lepiej jak natrafimy na kosmiczny tunel czasoprzestrzenny. Po dostarczeniu porcji ciemnej energii, charakteryzującej się ujemnym ciśnieniem, gardziel tunelu staje się stabilna i możemy podróżować, na razie tylko w teorii, do odległych zakątków Wszechświata.

Pana projekt wpisuje się w nowatorski nurt poszukiwania własności ciemnej materii przy pomocy matematycznych metod teorii grawitacji. Jakie zastosowanie mogą znaleźć wyniki przeprowadzonych badań?
Uzyskane rezultaty mogą być wykorzystane w planowanych i już uruchomionych eksperymentach, mających na celu detekcję tego tajemniczego składnika masy Wszechświata. Będziemy badali także wpływ ciemnej materii w układach silnie sprzężonych, np. w cieczach nadprzewodzących. Z naszych wstępnych obliczeń wynika, że nadprzewodniki mogą stanowić pewien pośredni efekt doświadczalny, który wskaże, gdzie można jeszcze szukać efektów obecności ciemnej materii.

Kilka lat temu Stephen Hawking pisał, że fizyka jest już skończona, bo w zasadzie wszystko odkryliśmy, ale to nie do końca prawda. Wiele danych pochodzących z obserwacji naszego Wszechświata nie jest jeszcze w pełni opisanych przez teorię.

Rozmawiała Klaudia Olender
Fot. Bartosz Proll