W popularnych opisach czarnej dziury wszystko, co do niej wpada, ostatecznie trafia do jednego punktu w jej centrum. Ten obraz może być błędny. Możliwe, że osobliwość – miejsce, w którym znane prawa fizyki przestają wystarczać – należałoby traktować raczej jak powierzchnię niż punkt

Czarna dziura ma granicę nazywaną horyzontem zdarzeń. Po jej przekroczeniu nie można już wrócić ani wysłać na zewnątrz żadnego sygnału, nawet światła. Wszystko, co znajdzie się po drugiej stronie, nieuchronnie zmierza w głąb czarnej dziury. Według ogólnej teorii względności Einsteina materia ostatecznie dociera do osobliwości. W najprostszym modelu przedstawia się ją jako punkt w centrum czarnej dziury. Andrew J. S. Hamilton z University of Colorado Boulder i Tyler McMaken z University of Mary w pracy opublikowanej w Physical Review D przekonują jednak, że należy ją rozumieć inaczej – jako powierzchnię.

Hamilton przyznaje, że sam nie spodziewał się takiego wyniku. „Żartuję ze studentami, że czarne dziury zawsze przeczą mojej intuicji” – mówi.

Dwie osoby wpadają do czarnej dziury

Najłatwiej zrozumieć argument fizyków, wyobrażając sobie dwie osoby wpadające jednocześnie do tej samej czarnej dziury z przeciwnych stron. Nazwijmy je Anną i Bartkiem. Jeżeli osobliwość byłaby jednym punktem, można by oczekiwać, że ich drogi ostatecznie się tam spotkają. Z obliczeń Hamiltona i McMakena wynika jednak, że tak się nie stanie. Jeszcze przed dotarciem do osobliwości Anna i Bartek stracą możliwość wymiany jakichkolwiek sygnałów, choć odległość między nimi maleje. Nie chodzi o zbyt słabe światło ani zbyt dużą odległość. Wewnątrz czarnej dziury nie istnieje już droga, którą informacja mogłaby dotrzeć od jednego obserwatora do drugiego.

„Skoro obaj obserwatorzy spadają do miejsc, które są od siebie odcięte, osobliwość nie może być punktem ani linią. Musi być powierzchnią” – piszą Hamilton i McMaken.

Nie oznacza to, że wewnątrz czarnej dziury znajduje się fizyczna ściana czy podłoga. „Powierzchnia” opisuje tutaj sposób, w jaki zachowują się przestrzeń i czas. Autorzy obliczyli również, że im bliżej osobliwości znajduje się obserwator, tym mniejszą część wnętrza czarnej dziury może zobaczyć.

Hamilton zobaczył powierzchnię już w latach 90.

Hamilton zauważył ten efekt już w 1998 roku, kiedy przygotowywał dla studentów komputerowe obrazy pokazujące, co mogłaby zobaczyć osoba wpadająca do czarnej dziury. W pobliżu osobliwości obraz zaczynał przypominać zbliżanie się do płaskiej powierzchni. „Opisałem to, co zobaczyłem, ale nie próbowałem tego wyjaśniać, bo sam tego nie rozumiałem” – powiedział Hamilton ScienceAlert, dodjąc: „Droga do zrozumienia tego zajęła mi dziesięciolecia”.

Obecna praca jest próbą wyjaśnienia tamtego wyniku. Nie oznacza, że osoba wpadająca do czarnej dziury zobaczy przed sobą osobliwość jak fizyczny obiekt. Możemy obliczać, co dzieje się bardzo blisko niej, ale w samej osobliwości ogólna teoria względności przestaje dostarczać użytecznego opisu.

Hamilton już w 2010 roku ujmował to bardziej obrazowo: „Osobliwość nie jest punktem. Jest trójwymiarową granicą przestrzeni, na której ogólna teoria względności popełnia samobójstwo”.

Prawdziwe czarne dziury wirują

Dotychczas mowa była o najprostszym modelu nierotującej czarnej dziury. Tymczasem rzeczywiste czarne dziury wirują. W równaniach opisujących takie obiekty osobliwość nie jest punktem, lecz ma kształt pierścienia. Hamilton i McMaken uważają jednak, że również tego pierścienia nie należy traktować dosłownie. W głębi wirującej czarnej dziury znajduje się obszar niezwykle wrażliwy na wszelkie zaburzenia. Wpadające światło czy materia mogą sprawić, że panujące tam warunki zaczną się gwałtownie zmieniać.

Rzeczywista czarna dziura nigdy nie jest całkowicie odizolowana od otoczenia. Wpadają do niej światło, gaz i inne cząstki. Autorzy przywołują również wcześniejsze badania wskazujące, że znaczenie mogą mieć zjawiska kwantowe zachodzące w jej wnętrzu. Dlatego pierścień znany z najprostszego rozwiązania równań prawdopodobnie nie powstaje w rzeczywistej czarnej dziurze w takiej postaci. Zdaniem badaczy również tam należałoby oczekiwać osobliwej powierzchni.

Tutaj kończy się obecny opis fizyki

Właśnie dlatego osobliwości są tak interesujące dla fizyków. Ogólna teoria względności bardzo dobrze opisuje czarne dziury, ale w ich najgłębszym wnętrzu przestaje wystarczać. Jednocześnie coraz większego znaczenia nabierają zjawiska kwantowe. Fizycy wciąż nie potrafią połączyć obu opisów w spójną teorię grawitacji kwantowej.

„Grawitacja kwantowa jest najważniejszym problemem fizyki teoretycznej, a osobliwe powierzchnie czarnych dziur są miejscami, w których grawitacja kwantowa występuje w naszym Wszechświecie” – powiedział Hamilton.

Hamilton i McMaken rozważają, czy taka powierzchnia mogłaby przechowywać informację o tym, co wpadło do czarnej dziury, oraz jaki miałaby związek z promieniowaniem Hawkinga – zjawiskiem kwantowym, dzięki któremu czarne dziury mogą bardzo powoli tracić energię. Na te pytania ich praca jeszcze nie odpowiada.

„Ambitnym celem współczesnej fizyki teoretycznej jest stworzenie działającej teorii grawitacji kwantowej. Jeszcze jej nie mamy” – powiedział Hamilton. „Mamy nadzieję, że uda się zrobić postęp, badając miejsca, w których grawitacja kwantowa właśnie zaczyna mieć znaczenie”.

Źródła:

Andrew J. S. Hamilton, Tyler McMaken, „Black hole singularity is a surface not a point”, Physical Review D 114, 024088 (2026), DOI: 10.1103/1pvt-3pn5.

Michelle Starr, „Black Hole Singularity May Be a 3D Surface Where General Relativity Goes to Die”, ScienceAlert, 29 lipca 2026.

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi