Ciekawostki o czarnych dziurach: 36 sprawdzonych faktów

Słońce stałoby się czarną dziurą dopiero po ściśnięciu całej jego masy do kuli o promieniu około 3 km, podaje NASA. Ziemię trzeba by ścisnąć do kuli o promieniu 9 mm, aby prędkość ucieczki z jej powierzchni zrównała się z prędkością światła. Promień, przy którym prędkość ucieczki równa się prędkości światła, nazywa się promieniem Schwarzschilda. Dla porównania rakieta musi dziś rozpędzić się do 11,2 km/s, by uciec z ziemskiej grawitacji.[1]

Czarna dziura o masie gwiazdowej powstaje, gdy zapada się jądro gwiazdy o masie około 20 mas Słońca lub większej, podaje NASA. Dzieje się tak, gdy masywna gwiazda wyczerpie paliwo i wybuchnie jako supernowa. Nowo narodzone czarne dziury mogą mieć masę od kilku do kilkuset mas Słońca.[2][3]

Najlżejsza znana czarna dziura ma masę zaledwie 3,8 masy Słońca, podaje NASA. Typowe czarne dziury o masie gwiazdowej mają według NASA około 5–20 mas Słońca. Na drugim końcu skali są supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk, o masach od milionów do miliardów mas Słońca.[3][1]

Najszybciej wirująca znana czarna dziura, GRS 1915+105, wykonuje ponad 1000 obrotów na sekundę, podaje NASA. Według NASA wirują wszystkie czarne dziury. Czarna dziura jest przy tym tak gęsta, że zza granicy nazywanej horyzontem zdarzeń nic, nawet światło, nie może się wydostać.[3]

Spaghettyfikację, czyli rozciąganie materii przez czarną dziurę, astronomowie ESO obserwowali w galaktyce oddalonej o nieco ponad 215 mln lat świetlnych, w gwiazdozbiorze Erydanu. Gwiazdę o masie zbliżonej do Słońca rozerwała tam czarna dziura ponad milion razy masywniejsza od Słońca, a błysk AT2019qiz śledzono przez 6 miesięcy. NASA opisuje spaghettyfikację jako ściskanie materii w poziomie i rozciąganie w pionie, aż przypomina nitkę makaronu.[4][3]

Niemiecki astrofizyk Karl Schwarzschild podał w 1916 r. pierwsze dokładne rozwiązanie równań ogólnej teorii względności, z którego wynikało istnienie czarnych dziur. Zrobił to niespełna 2 miesiące po publikacji teorii Einsteina, przebywając w Rosji, gdzie napisał 2 prace o teorii względności. Zmarł 11 maja 1916 r. w Poczdamie, a jego nazwisko nosi dziś promień Schwarzschilda.[5][6][7]

Nazwę „czarna dziura” (ang. black hole) przypisuje się zwykle fizykowi Johnowi Wheelerowi, który użył jej w 1967 r. Termin pojawił się jednak w druku już w 1964 r., w magazynie „Life” i w „Science News Letter”. Sama idea jest dużo starsza: już w XVIII w. John Michell i Pierre-Simon Laplace rozważali istnienie gwiazd tak masywnych, że nie wypuszczają światła.[5][7]

W styczniu 1965 r. Roger Penrose opublikował pracę, w której wykazał, że czarne dziury mogą powstawać, a w każdej z nich kryje się osobliwość, czyli granica, w której kończą się czas i przestrzeń. Kluczem okazało się wymyślone przez niego pojęcie powierzchni pułapkowych (ang. trapped surfaces). Komitet Noblowski nazywa tę pracę najważniejszym wkładem do ogólnej teorii względności od czasów Einsteina.[8]

W 1974 r. Stephen Hawking wykazał, że czarna dziura powinna wysyłać promieniowanie o określonej temperaturze, tym wyższej, im mniejsza jest jej masa. Jego praca „Black hole explosions?” ukazała się w „Nature” 1 marca 1974 r., a zjawisko nazwano promieniowaniem Hawkinga. Promieniowanie sprawia, że czarne dziury „parują”, ale według astronoma Martina Reesa proces jest niezauważalnie powolny, poza „minidziurami” wielkości atomów.[9][10]

Stephen Hawking założył się w latach 1974–1975 z Kipem Thorne’em, czy układ podwójny Cygnus X-1 zawiera czarną dziurę, i w 1990 r. przyznał, że zakład przegrał. Był to pierwszy z jego słynnych zakładów z Thorne’em. Sam obiekt Cygnus X-1 odkryto w 1964 r., gdy liczniki Geigera na pokładzie rakiety suborbitalnej nagle zaczęły wariować.[11][12]

Czarna dziura Cygnus X-1 ma masę 21 mas Słońca, a nie 15, jak sądzono wcześniej, wynika z pomiarów opublikowanych w „Science” 19 lutego 2021 r. Obiega ona gwiazdę o masie 41 mas Słońca w 5,5 dnia. Według autorów powstała z gwiazdy o masie około 60 mas Słońca, która zapadła się kilkadziesiąt tysięcy lat temu. Pomiar wykonano radioteleskopem VLBA podczas 6-dniowych obserwacji.[12]

W Drodze Mlecznej może być nawet 100 mln czarnych dziur o masie gwiazdowej, szacuje NASA. Dzięki układom podwójnym poznano jednak tylko około 50 potwierdzonych lub prawdopodobnych czarnych dziur w naszej Galaktyce. Uniwersytet Warszawski podaje, że Galaktyka powinna zawierać ponad 100 mln samotnych czarnych dziur, które wędrują po niej niezauważone.[2][13]

Czarna dziura w centrum galaktyki Holmberg 15A ma masę co najmniej 40 mld mas Słońca, podaje NASA. Supermasywne czarne dziury mają masy od setek tysięcy do miliardów mas Słońca, choć część naukowców przesuwa dolną granicę do kilkudziesięciu tysięcy. Niektóre z nich powstały już w pierwszym miliardzie lat po narodzinach Wszechświata.[2]

Najmasywniejsza zaobserwowana czarna dziura, TON 618, ma masę 66 mld mas Słońca, podaje NASA. To ponad 16 tys. razy więcej niż masa Sagittarius A*, czarnej dziury w środku Drogi Mlecznej, liczącej 4 mln mas Słońca. Według NASA większość galaktyk wielkości Drogi Mlecznej ma w centrum ogromne czarne dziury.[3]

Pierwszym wyraźnym wykryciem czarnej dziury o masie pośredniej było zdarzenie GW190521, zarejestrowane 21 maja 2019 r., ogłosiło LIGO. Zderzyły się czarne dziury o masach około 85 i 66 mas Słońca i powstała czarna dziura o masie około 142 mas Słońca. Energia równa około 8 masom Słońca została wypromieniowana, a sygnał trwał krócej niż 0,1 s. Czarne dziury o masie pośredniej mają według NASA od około 100 do setek tysięcy mas Słońca.[14][2]

Pierwotne czarne dziury mogły powstać w 1. sekundzie po narodzinach Wszechświata, zakładają naukowcy, na których powołuje się NASA. Ich masy mogłyby wynosić od 100 tys. razy mniej niż masa spinacza biurowego do 100 tys. razy więcej niż masa Słońca. Mimo 13,8 mld lat, które minęły od tamtej chwili, nie ma rozstrzygającego dowodu, że takie czarne dziury kiedykolwiek istniały.[2]

Najbliższa znana czarna dziura, Gaia BH1, leży 1560 lat świetlnych od Ziemi, potwierdza Księga Rekordów Guinnessa. Według ESA leży w kierunku gwiazdozbioru Wężownika. Ma masę około 9,62 masy Słońca, a obiega ją gwiazda bardzo podobna do Słońca, raz na 185,6 dnia. Odkrycie ogłosił w listopadzie 2022 r. zespół Kareema El-Badry’ego. Gaia BH1 jest ponad 2 razy bliżej niż poprzedni rekordzista.[15][16][17]

Czarna dziura Gaia BH2 leży 3800 lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Centaura, podała ESA w marcu 2023 r. Gaia BH1 i Gaia BH2 mają masy około 10 razy większe od Słońca i należą do uśpionych czarnych dziur. Spośród wszystkich znanych czarnych dziur mają najszerzej rozsunięte orbity względem gwiazd towarzyszących. Obie wykryto dzięki pomiarom satelity Gaia.[17]

W 2020 r. zespół ESO ogłosił odkrycie najbliższej Ziemi czarnej dziury w układzie HR 6819, oddalonym o 1000 lat świetlnych, w gwiazdozbiorze Lunety. W 2022 r. nowe obserwacje instrumentami MUSE i GRAVITY wykazały, że czarnej dziury tam nie ma. HR 6819 okazał się układem 2 gwiazd typu „wampir”, w którym jedna z gwiazd została „obdarta” z części materii.[18]

10 kwietnia 2019 r. zespół Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT) pokazał pierwsze zdjęcie czarnej dziury. To supermasywna czarna dziura M87* w centrum galaktyki Messier 87, oddalona o 55 mln lat świetlnych od Ziemi, o masie 6,5 mld mas Słońca. Dane zebrano w 2017 r. na fali o długości 1,3 mm, a wyniki opisano w 6 artykułach w „The Astrophysical Journal Letters”.[19][20]

Przy obserwacjach czarnej dziury M87* każdy teleskop sieci EHT zapisywał około 350 TB danych na dobę, podaje zespół EHT. Petabajty surowych danych połączyły superkomputery w Instytucie Radioastronomii Maxa Plancka i w MIT Haystack Observatory. Nad zdjęciem pracowało ponad 200 naukowców, a sieć 8 teleskopów osiągnęła rozdzielczość kątową 20 mikrosekund łuku. Teleskopy stały m.in. na wulkanach Hawajów i Meksyku, na pustyni Atakama i na Antarktydzie.[19]

Horyzont zdarzeń czarnej dziury M87* ma średnicę niecałych 40 mld km i jest około 2,5 raza mniejszy od cienia, który czarna dziura rzuca na tle świecącej materii, podaje zespół EHT. Horyzont zdarzeń to granica, zza której nic, nawet światło, nie może się wydostać. Dlatego na zdjęciu widać nie samą czarną dziurę, lecz jej cień.[19][3]

Na obrazie czarnej dziury M87* z obserwacji z kwietnia 2018 r. pierścień ma tę samą wielkość co w 2017 r., ale jego najjaśniejszy fragment przesunął się o około 30° przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Zespół EHT uznał stałą średnicę pierścienia za dowód trwałego cienia czarnej dziury. W 2018 r. do sieci EHT po raz pierwszy dołączył Teleskop Grenlandzki, a wyniki ogłoszono w styczniu 2024 r.[21]

Wzór polaryzacji światła wokół czarnej dziury M87* zmienił kierunek w latach 2017–2021, ogłosił zespół EHT 16 września 2025 r. W 2017 r. pola magnetyczne wydawały się skręcać w jedną stronę, w 2018 r. się ustabilizowały, a w 2021 r. skręcały w przeciwną stronę. W danych z 2021 r. po raz pierwszy w historii EHT wykryto też ślady emisji przy podstawie dżetu M87.[22]

14 września 2015 r. o 09:51 UTC detektory LIGO po raz pierwszy zarejestrowały fale grawitacyjne, wysłane przez zderzenie 2 czarnych dziur o masach około 29 i 36 mas Słońca. W ułamku sekundy około 3 masy Słońca zamieniły się w energię fal grawitacyjnych. Szczytowa moc była około 50 razy większa niż moc całego widzialnego Wszechświata, a do zderzenia doszło 1,3 mld lat temu.[23][24]

Detektor LIGO w Livingston zarejestrował pierwsze fale grawitacyjne ze zderzenia czarnych dziur 7 milisekund wcześniej niż detektor w Hanford. Każdy z detektorów ma ramiona w kształcie litery L o długości 4 km, a detektor potrafi wykryć zmianę ich długości mniejszą niż jedna dziesięciotysięczna średnicy protonu (10⁻¹⁹ m). Czarne dziury zderzyły się z prędkością bliską połowie prędkości światła.[23]

3 października 2017 r. Nagrodę Nobla z fizyki przyznano Rainerowi Weissowi, Barry’emu C. Barishowi i Kipowi S. Thorne’owi, związanym z detektorem LIGO. Komitet Noblowski przypomniał, że fale ze zderzenia 2 czarnych dziur docierały do LIGO przez 1,3 mld lat. W projekcie LIGO pracuje ponad 1000 naukowców z ponad 20 krajów, a nagroda wynosiła 9 mln koron szwedzkich.[24]

Zderzenie czarnych dziur GW231123 dało czarną dziurę o masie około 225 mas Słońca, ogłosiła współpraca LIGO-Virgo-KAGRA 15 lipca 2025 r. Zderzyły się czarne dziury o masach około 100 i 140 mas Słońca, wirujące niemal z maksymalną prędkością dopuszczalną przez ogólną teorię względności. Sygnał zarejestrowano 23 listopada 2023 r. Poprzedni rekordzista, GW190521, dał czarną dziurę o masie około 142 mas Słońca.[25][26][14]

Do lipca 2025 r. detektory LIGO, Virgo i KAGRA zaobserwowały około 300 zderzeń czarnych dziur od początku 1. serii obserwacji w 2015 r. Ponad 200 z nich przypadło na 4. serię obserwacji, rozpoczętą w maju 2023 r. KAGRA to japoński detektor z ramionami o długości 3 km w Kamioce, a współpraca KAGRA liczy ponad 400 członków ze 128 instytutów w 17 krajach i regionach.[25][26][27]

14 stycznia 2025 r. detektory LIGO zarejestrowały sygnał GW250114, który zgadza się z twierdzeniem Stephena Hawkinga z 1971 r. o polu powierzchni czarnych dziur. Według tego twierdzenia łączne pole powierzchni horyzontów zdarzeń nie może maleć. Zderzyły się czarne dziury o masach około 30–40 mas Słońca, oddalone o około 1,3 mld lat świetlnych. Stosunek sygnału do szumu wyniósł 80, wobec 26 w 2015 r.[28][27]

Czarna dziura w galaktyce UHZ1 istniała już 470 mln lat po Wielkim Wybuchu, wykazały w 2023 r. Obserwatorium Rentgenowskie Chandra i Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Galaktyka leży 13,2 mld lat świetlnych od Ziemi, więc widzimy ją, gdy Wszechświat miał 3% obecnego wieku. Czarna dziura ma masę 10–100 mln mas Słońca. Według Priyamvady Natarajan z Yale to najlepszy jak dotąd dowód, że część wczesnych czarnych dziur powstała z zapadnięcia się ogromnych obłoków gazu.[29][30]

Czarna dziura w galaktyce GN-z11 pochodzi z czasów 400 mln lat po Wielkim Wybuchu, ponad 13 mld lat temu, ogłosił Uniwersytet Cambridge 17 stycznia 2024 r. Wykrył ją Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Czarna dziura ma masę kilku milionów mas Słońca, a galaktyka GN-z11 jest około 100 razy mniejsza od Drogi Mlecznej. Wyniki zespołu Roberta Maiolino opisano w „Nature”.[31]

Swój wkład w pierwsze odkrycie fal grawitacyjnych z 14 września 2015 r. wniosło 15 polskich naukowców z grupy POLGRAW w projekcie Virgo, podał w 2016 r. zespół Virgo-POLGRAW. Dziewięciu z nich znalazło się wśród autorów publikacji ogłaszającej odkrycie w „Physical Review Letters”. Budowa detektora Virgo zaczęła się w 1994 r., a od 2007 r. Virgo i LIGO wspólnie analizują dane.[32][33][23]

Grupa Polgraw-Virgo liczyła w 2025 r. około 30 naukowców z 10 polskich instytucji, a 16 jej członków podpisało artykuł o sygnale GW250114, podał Instytut Matematyczny PAN. Instytut jest liderem Polskiego Konsorcjum Projektu Virgo, a grupą kieruje prof. Andrzej Królak. Polski udział w projekcie Virgo wpisano na Polską Mapę Infrastruktury Badawczej.[27][34]

Polski projekt OGLE z Uniwersytetu Warszawskiego wykrył 2 czerwca 2011 r. zjawisko mikrosoczewkowania OGLE-2011-BLG-0462, za którym, jak się okazało, stoi samotna czarna dziura. Zespół OGLE obserwował je przez kolejne 9 lat i zebrał ponad 15 545 pomiarów jasności. Wyniki ogłoszone w 2022 r. wskazały obiekt o masie 7 mas Słońca (zespół Kailasha Sahu) lub 4,2 masy Słońca (zespół Lama i Lu).[13][35][36]

W 2025 r. nowe pomiary Kosmicznego Teleskopu Hubble’a potwierdziły, że za zjawiskiem OGLE-2011-BLG-0462 stoi samotna czarna dziura o masie 7,15 masy Słońca. Leży ona około 1,52 kpc od Ziemi i porusza się względem sąsiednich gwiazd z prędkością około 51 km/s. Pomiary położenia z teleskopu Hubble’a objęły łącznie 11 lat.[35][37]