16. Możliwość erupcji materii przez horyzont grawitacyjny

By uczynić rzecz bardziej strawną, przynajmniej z klasycznego punktu widzenia i dla upoglądowienia sprawy, rozważmy możliwość takiej erupcji pod względem ilościowym. Oczywiście oprzemy się na newtonowskim modelu grawitacji, uwzględniając jednak ograniczenie prędkości do wartości c. Obliczmy natężenie pola grawitacyjnego na linii horyzontu, czyli w odległości promienia Schwartzschilda od centrum źródła pola. Dlaczego natężenie pola, a nie potencjał? Otóż natężenie pola określone jest przez siłę, która tutaj działa hamująco na wznoszącą się materię z erupcji. Najlepiej przyjąć to źródło za punktowe, by rozciągłość przestrzenna materii nie stanowiła dodatkowego czynnika komplikującego sprawę. Nie narusza to istoty rzeczy, tym bardziej, że chodzi o oszacowanie ilościowe, a nie o profesjonalne obliczenia, uwzględniające wszelkie okoliczności i warianty. Oto obliczenie:

Widzimy, że natężenie pola grawitacyjnego na linii horyzontu (liczbowo równe, jak wiadomo, przyśpieszeniu w polu ciężkości), jest odwrotnie proporcjonalne do masy źródła pola. Dla obiektu o masie Słońca (2·10³⁰kg), g_s = 1,52·10¹³m/s². To dosyć dużo. Jeśli jednak masa obiektu jest odpowiednio duża, porównywalna z masą jądra dużej galaktyki, na przykład rzędu 10⁴⁰kg, otrzymujemy natężenie znacznie mniejsze: g_s ≈ 3·10³m/s².

Warto przy okazji zauważyć rzecz nader interesującą. Otóż iloczyn: 

jest wielkością stałą, nawet uniwersalną, o wymiarze siły. Jeśli istnieje taka siła, to jest ona ogromna. Wynosi:

≈ 3·10⁴³N.  Już wiemy, że jest to absolutnie maksymalna siła przyciągania grawitacyjnego. Z taką siłą (na przykład) przyciągałyby się wzajemnie dwie identyczne czarne dziury (obiekty zamknięte przez horyzont grawitacyjny), gdyby odległość między ich środkami równa była ich promieniowi grawitacyjnnemu (ich powierzchnie stykałyby sie ze sobą w punkcie odległym od ich środka o połowę promienia grawitacyjnego). Nie jest to możliwe jeśli są to obiekty przestrzennie rozciągłe. (Chyba, że prawdziwy horyzont znajdowałby się w odległości połowy promienia Schwartzschilda. To także siła, z jaką przyciągają się wzajemnie dwa punkty materialne, odległe od siebie właśnie o połowę promienia grawitacyjnego. To odległość szczególna. Mowa o tym w artykule piątym, poświęconym dualności grawitacji. Tam też po raz pierwszy otrzymaliśmy wzór na maksymalną siłę przyciągania, czasami, choć nie słusznie, nazywaną siłą Plancka. Ten sam wzór otrzymaliśmy rozważając oddziaływania między plankonami. To znamienne. Mamy oczywistą więź między tym, co stanowi o strukturze bytu materialnego w skali najmniejszej, a tym, co reprezentuje świat naszej percepcji. Mamy manifestację jedności świata, niezależnej od skali rozmiarowej i niezależnie od stosowanych środków opisu. Mamy potwierdzenie, że coś jest w tym moim fantazjowaniu. 

   Czy zatem dostrzec powinniśmy krótkotrwałe impulsy pojedyńczych protuberancji? Raczej nie. Wszak protuberancje mają charakter losowy, chaotyczny. Nie są też zjawiskiem odosobnionym, jednorazowym, jednowymiarowym. Zachodzą nieustannie na całej powierzchni gwiazdy. Wynikałoby stąd, że czarna dziura, jak bardzo czarną by nie była, świecić powinna charakterystyczną, „czarnodziurową” poświatą (jeśli nie optyczną, to radiową). Przypuszczenie to wysunąłem już powyżej, choć zwróciłem też uwagę na to, że dostrzeżenie obiektu o tak małej luminancji byłoby niezmiernie trudne. [Nie mylić tego z promieniowaniem Hawkinga.] Chyba, że w takim obiekcie nie uświadczysz materii mogącej świecić (promieniować). Czy rzeczywiście? Może tak będzie za sto miliardów lat. Dziś temperatura powierzchniowa nawet najstarszych gwiazd wcale nie jest niska. Horyzont grawitacyjny, jeśli w wyniku zapaści grawitacyjnej pojawia się ponad taką powierzchnią, nie może tej wysokiej temperatury likwidowac. Słuszne to powinno być tak w odniesieniu do gwiazd, jak i w odniesieniu do jąder galaktyk. Chyba, że mamy do czynienia z obiektem zaawansowanym ewolucyjnie do tego stopnia, że jego temperatura powierzchniowa jest już bardzo niska. W dzisiejszych czasach to raczej niemożliwe. Wszechświat jest po prostu zbyt młody. Czy taka świeżo upieczona czarna dziura może stygnąć (stygnięcie polega na wypromieniowywaniu nadmiaru energii wewnętrznej)? Chyba raczej tak. Ale sądząc po powyższych konkluzjach –  dosyć powoli. Wprost może być rezerwuarem ciepła na czasy powszechnego mrozu poprzedzającego inwersję Wszechświata. To ważne z myślą o naszych potomkach. A jak to jest z entropią w tej sytuacji (warto przypomnieć sobie definicję źródłową tej wielkości)? Oczywiście wzrasta.

   Właściwie co się dzieje z materią takich erupcji? Raczej powraca, jak protuberancje słoneczne, choć możliwa jest też opcja, że zawsze coś zostaje. Tworzyć więc może ta pozostała materia, na przykład w warunkach szybkiej rotacji obiektu i silnego pola magnetycznego, dysk akrecyjny. W sytuacji tej gwiazda może być źródłem promieniowania, nawet krótkofalowego³ (Patrz „À propos”). Inna sprawa, że w przypadku co masywniejszych gwiazd (ew. jąder gwiazd wybuchających) mamy właściwie do czynienia raczej z gwiazdą neutronową lub jako taki sam obiekt, z tym że zamknięty przez horyzont grawitacyjny. Jeśli tak, to w jakim stopniu może taka czarna być rezerwuarem ciepła? Może to nawet interesujący temat badawczy, ale wracajmy do meritum.

Zgodnie z tym wszystkim, trudno mówić o czarnych dziurach tak, jak dziś są rozumiane i opisywane (w szczególności tych powstałych z gwiazd), a osobliwość jest fantazją nie mniejszą (jeśli nie większą), niż moje sugestie. Do przekonania o istnieniu odpychania grawitacyjnego doszliśmy w wyniku analizy faktów, bazując na quasi-newtonowskim modelu oddziaływania, a przede wszystkim na określonych przesłankach filozoficznych. W kontynuacji rozważań będzie jeszcze o tym mowa.

   Sądzę, że możliwość istnienia obiektu zamkniętego przez horyzont jednak istnieje, z tym, że utworzył się on w dawnych czasach w centralnej części kwazara, czyli obiektu o bardzo dużej masie. Dziś (tak się przypuszcza i chyba słusznie), obiekty zamknięte przez horyzont grawitacyjny znajdują się w jądrach galaktyk. Gęstość średnia tych obiektów, jak już wielokrotnie wspominałem jest niewielka, a materia w górnych warstwach może być jak najbardziej normalną i nie wiedzieć nawet o tym, że zamyka ją horyzont grawitacyjny – to jedna z możliwości. (Inna sprawa, że jej ruch wokół środka masy powinien być bardzo szybki.) Także o Wszechświecie można powiedzieć, że jest (dość swoistą) czarną dziurą. Stwierdziliśmy to już wcześniej, w innym artykule. Nasz obiekt nie jest jednak wysyconym tworem o specyficznych cechach topologicznych (jak Wszechświat)). Możliwość istnienia „protuberancji" w tym przypadku istnieje. Wszystko jednak pod warunkiem, że materia nie zapadła się do gęstości maksymalnej i nie tworzy małego jądra otoczonego rozległą sferyczną warstwą pustki, ograniczoną przez horyzont grawitacyjny. O opcji tej (dość prawdopodobnej zresztą) wspomniałem już powyżej. Do kwestii tej powrócę w drugiej części tego eseju. 

    Wróćmy do naszego obiektu. To, że wystrzeliwać mogą z niego protuberancje, nie stanowi już problemu. Można przyjąć, że cały czas ponad horyzontem znajduje się jakaś materia. Wynika stąd, że sam horyzont (jeśli już istnieje) znajduje się nieco (właściwie pomijalnie) niżej, gdyż obejmuje masę nieco mniejszą, niż łączna masa jaką posiadał obiekt przed grawitacyjną zapaścią. Jak wyżej wspomniałem, obiekt taki jest źródłem raczej charakterystycznego promieniowania o widmie ciągłym. W niektórych przypadkach promieniowanie to może też stanowić tło dla biegunowo skierowanego promieniowania krótkofalowego, istniejącego prawdopdobnie w skutek szybkiej rotacji obiektu. Jeśli chodzi o natężenie promieniowania (tego głównego), to sądzić można, że zależne jest od masy obiektu. Z dwóch powodów. Po pierwsze, dłuższy czas emisji w pojedyńczym akcie, w przypadku obiektów bardziej masywnych (natężenie pola mniejsze), oznaczać może większe natężenie promieniowania, większą luminancję obiektu (jeśli bez tego ma być czarny). Po drugie, powierzchnia horyzontu, a więc i powierzchnia, sponad której emitowane jest promieniowanie, większa w przypadku obiektu o większej masie, daje większą jasność ogólną. Może właśnie to (nie tylko otaczające gwiazdy) jest zasadniczą przyczyną świecenia jąder galaktyk? (Poniżej zwrócę uwagę na jeszcze jedną możliwość, może nawet bardziej istotną.) Jak to jest w istocie rzeczy, na ile słuszna jest taka, czy inna koncepcja, roztrzygną dalsze badania.

   Na razie, wnioski-przypuszczenia, do jakich już doszliśmy, dają określony kierunek dalszym badaniom, wskazują na określone oczekiwania obserwacyjne, dają też wskazówkę na indykację takich obiektów, gdyż świecenie to posiadałoby określone cechy charakterystyczne, przy czym jego natężenie zależałoby, jak zauważyłem, bezpośrednio od masy (nie uwzględniając oczywiście jego odległości od nas). Można przypuszczać, że od masy zależałby także częstotliwościowy rozkład widma. To istotne, gdyż jasność może być zmniejszona na przykład wskutek pochłaniania światła przez materię, przez którą przechodzi. Kryterium częstotliwościowe w tej sytuacji byłoby decydujące. Dzięki temu, tak przy okazji, można by badać materię międzygwiazdową lub niędzygalaktyczną, pochłaniającą i rozpraszającą promieniowanie biegnące do nas. Z drugiej strony, sama ekstynkcja* międzygwiazdowa i międzygalaktyczna może być przyczyną niepewności w badaniach samego promieniowania. Mimo wszystko, wykrywając większą liczbę takich obiektów, w zestawieniu statystycznym, moglibyśmy wyznaczyć ich masę ze stosunkowo niewielkim marginesem niepewności. Otrzymalibyśmy także dodatkowe narzędzie do pomiaru odległości. Pokusa bardzo duża, jeśli to wszystko ma w ogóle jakiś sens. Wszak, dla przypomnienia, tylko fantazjujemy. W każdym razie, wykrycie czegoś takiego jest jak najbardziej możliwe, szczególnie dla optymisty mojego pokroju. Być może chodzi tylko o określoną interpretację znanych już (lub jeszcze niedostrzeżonych) faktów obserwacyjnych. Wykrycie czegoś takiego potwierdzałoby też, przy okazji, samą koncepcję. O naiwności...  

*) Osłabienie światła przechodzącego przez ośrodek materialny wskutek absorpcji i rozpraszania. Powszechnie znana jest ekstynkcja światła słonecznego, czego efektem jest poczerwienienie zachodzącego (lub wschodzącego) Słońca. Jak wiadomo, wielkość rozpraszania zależy od długości fali. Światło krótkofalowe (fioletowe i niebieskie) rozprasza się silniej. Stąd między innymi niebieska barwa nieba. Od samego Słońca dociera więc światło, którego składnik krótkofalowy jest pomniejszony – barwa czerwona.

À propos:

³) Mimo to przyjmijmy, że nasz zamknięty grawitacyjnie obiekt (gwiazda) jest już zaawansowany ewolucyjnie na tyle, że takiej gorącej materii już nie posiada. Nie ma więc protuberancji, a jego czarności nic nie zakłóca. Powszechnym pragnieniem bowiem jest to, by takie czarne obiekty jednak istniały. Jednakże śmiem sądzić, że szansę na powstanie czarnej dziury z obiektu o masie gwiazdy (choćby największej) są znikome. Przyczyną jest zakładane tylko w tej pracy istnienie defektu masy grawitacyjnej, szczególnie wyraźnego w bardzo zagęszczonej materii, prowadzące w przypadkach skrajnych (na przykład w centrum obiektu) do odpychania. Drugą przyczyną może być (nawet znaczące) osłabienie grawitacji w skutek szybkiej rotacji układu dipoli magnetycznych (nawet pomijając efekt centryfugi). W porywie fantazjowania, wspomnieć można bowiem o zamianie energii pola elektromagnetycznego na energię grawitacyjną. [Możliwość tę daje konstatacja, że wszystkie oddziaływania są manifestacją jedynego – grawitacyjnego. Stwierdziliśmy to w artykułach poświęconych grawitacji dualnej.] Miałby to być efekt osłabienia grawitacji, na przykład w wyniku szybkiej rotacji układów magnetycznych. Takim układem może być przecież szybko rotująca gwiazda neutronowa. Już dziś buduje się urządzenia bazujące na tej koncepcji, chociaż koncepcja ta jak dotąd nie doczekała się zadawalającego opracowania formalnego (lub badania są utajnione). Media znają tylko główny nurt.