Czarna dziura

Termin „czarna dziura” powstał bardzo niedawno. Wprowadził go w 1969 roku amerykański uczony John Wheeler. Idea czarnych dziur pojawiła się ponad 200 lat wcześniej i jako pierwszy dopuścił ich istnienie w roku 1783 John Michell i prawie jednocześnie Pierre Simone de Laplace. Wykazali oni, że gwiazda o dostatecznie dużej masie i gęstości wytwarzałaby tak silne pole grawitacyjne, iż światło nie mogłoby się oddalić. Chociaż nie widzielibyśmy ich świata moglibyśmy je wykryć dzięki ich przyciąganiu grawitacyjnemu. Dla nich czarne dziury były jedynie nie świecącymi gwiazdami. Nie wiedzieli oni, że nic nie może się poruszać szybciej niż światło. Według teorii Newtona siła przyciągania grawitacyjnego jest wprost proporcjonalna do iloczynu mas obu ciał i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości. Wyobraźmy teraz sobie, że zmniejszmy promień. Wówczas grawitacji na powierzchni wzrośnie (odległość od środka zmalała). Według teorii Newtona zmniejszenie promienia dwukrotnie zwiększa grawitacje czterokrotnie, według Einsteina nawet bardziej! Ma to znaczenie, gdy gwiazda zostanie ściśnięta tak bardzo, że siła grawitacji stanie się supersilna- wtedy różnica między dwoma teoriami stanie się ogromna. Pierwsza zakłada, że siła dąży do nieskończoności, gdy promień dąży do zera, druga, gdy staje się równy tzw. promieniowi grawitacyjnemu. Wielkość takiego promienia określona jest przez masę ciała. Dla Ziemi promień grawitacyjny równy jest 1 cm, dla Słońca 1 km!

Zgodnie z Teorią Względności światło nie może opuścić powierzchni ciała o promieniu mniejszym od promienia grawitacyjnego. Nie jest to jedyna niezwykłość. Siła grawitacji na powierzchni gwiazdy o promieniu równym promieniowi grawitacyjnemu staje się nieskończona- przyspieszenie swobodnego spadku staje się nieskończenie wielkie. Zwykle planety i gwiazdy nie zostają ściśnięte do rozmiaru punktu., Ponieważ siły ciśnienia i sprężystości równoważą zapadanie się grawitacyjne. Ciśnienie zależy od stanu materii. Materia zmuszona do swobodnego spadku na promień grawitacyjny nie może zatrzymać się na powierzchni Schwarzschilda (zewnętrzne pole grawitacyjne wokół promienia grawit. nazwane tak na cześć fizyka, który jako pierwszy rozwiązał równanie Einsteina), ponieważ podlegałoby nieskończonym siłom grawitacji. Cokolwiek, zatem znajdzie się poniżej promienia grawitacyjnego musi spaść do środka. Wywołuje to katastroficzne, niepohamowane zapadanie się aż do osobliwości, zwane kolapsem relatywistycznym. Wystarczy, zatem ścisnąć ciało do rozmiaru odpowiadającego promieniowi grawitacyjnemu, by dalsze zapadanie następowało samoistnie.

JAKIE CZARNA DZIURA MA WLASNOŚCI?

Teoria Względności zakłada, że im bliżej lub im większa masa ciała tym czas w jej pobliżu płynie wolniej. W pobliżu czarnej dziury czas płynie bardzo wolno, by wreszcie już na jej horyzoncie zwolnić nieskończenie. Obserwator obserwujący np. kamień spadający na czarna dziurę zauważy hamowanie w jej pobliżu i wreszcie zamarcie przy jej granicy tak samo obserwator obserwujący zapadanie się gazu gwiazdy dostrzeże zjawisko po nieskończono długim czasie. Nie oznacza to jednak kontemplowania tego samego obrazu przez wieczność, ponieważ światło emitowane przez ciało w pobliżu masy czerwienieje (zmniejsza się jego częstość). Obserwując kamień spadający do czarnej dziury widzimy jego obraz coraz bardziej poczerwieniony (przesunięte widmo). Połączenie efektu Dopplera i dylatacji czasu powoduje, że obszar zapadającej się gwiazdy w pobliżu sfery Schwarzschilda staje się niewidoczny. Również radar nie jest w stanie wykryć czarnej dziury.
Ciała poruszające się w pobliżu czarne dziury mają pewne ograniczenia. Gdy promień orbity wynosi mniej niż półtora promienia Schwarzschilda prędkość ucieczki zrównuje się prędkości światła. W odległości 3 promieni prędkość wynosi prawie połowę prędkości światła. W dużej odległości ruch może odbywać się po paraboli i siła grawitacji tylko odrobinę zakrzywi czasoprzestrzeń. Jeżeli ruch paraboliczny odbywa się w pobliżu podwojonego promienia, nawinie się on jak przędza na młotek i zamieni w orbitę kołową. Ciało zostanie schwytane przez czarną dziurę i nigdy się od niej nie uwolni. Samo posiadanie wystarczającej prędkości ucieczki nie wystarczy. Potrzebny jest jeszcze odpowiedni tor ruchu tworzący charakterystyczny kąt z kierunkiem ku czarnej dziurze. Im dalej od czarnej dziury tym ten kąt jest mniejszy.
W pobliżu czarnej dziury zachodzi jeszcze jeden ważny proces związany z falami grawitacyjnymi, których istnienie zaklada Teoria Względności. Według teorii takie fale powinny przypominać fale elektromagnetyczne. W normalnych warunkach ich energia jest bardzo słaba i tak np. ruch planet w Układzie Słonecznym generuje energię grawitacyjną równą mocy ok. 100 żarówek. Kiedy planety lub gwiazdy w układach podwójnych poruszają się po orbitach kołowych wysyłają fale grawitacyjne, które unoszą energię. Zwykle te straty energii są bardzo małe. Ciała krążące po kołowych orbitach wokół czarnych dziur emitują także fale grawitacyjne. Proces ten trwa od czasu, gdy promień orbity zmaleje do 3 promieni grawitacyjnych. Osiągnąwszy tę odległość ciao wykonuje jeszcze kilka obiegów, wypromieniowuje pewną ilość energii i wpada do czarnej dziury. Proces ten zwykle trwa bardzo długo. Suma energii będzie, zatem bardzo duża. Suma „wydalonej” energii będzie wynosiła ok. 6% masy. Czarne dziury mogłyby być, zatem źródłem energii. Dotychczas rozważałam problem czarnych dziur powstałych przez zapadnięcie się idealnie sferycznych gwiazd będących nieruchomymi przed zapadnięciem. Załóżmy, że ciało przed zapadnięciem nie było idealnie sferyczne. Czy oznacza to, że pole grawitacyjne też będzie spłaszczone? Otóż udowodniono, że w takim wypadku promień będzie zbyt wielki i nie dojdzie do kolapsu. Rzecz w tym, że kiedy rozmiary ciała zbliżają się do promienia grawitacyjnego następuje bardzo intensywna emisja fal grawitacyjnych a wobec tego wszelkie odstępstwa od idealnie sferycznego kształtu zostają sprasowane i wypromieniowane. W pierwszych chwilach po powstaniu czarna dziura jest spłaszczona i zdeformowana. Takiego kształtu nie może jednak zbyt długo zachować. Bardzo szybko odzyskuje sferyczny kształt, a zbędne „detale” zostają wypromieniowane w postaci fal grawitacyjnych. O charakterze pola decyduje jeden parametr – masa wytwarzającego je ciala. Czarne dziury mogą być różnych rozmiarów, ale w gruncie rzeczy różnią się tylko masą. Wszelkie pola fizyczne w trakcie kolapsu zostają wypromieniowane, ale pole elektryczne nie zmienia się i nadal otacza czarną dziurę. Wszystkie czarne dziury można opisać tylko dwoma parametrami - masą i ładunkiem elektrycznym. To tak jakby wszystkie kobiety opisać tylko można było tylko wagą i kolorem włosów. Dziura ma idealnie sferyczny kształt, dlatego mówi się, że czarne dziury „nie mają włosów”. Do tej pory zajmowałam się „statycznymi czarnymi dziurami. Co stanie się jednak, gdy ciało zapadające się posiadało pewną rotację? Teoria Względności zakłada, że pole grawitacyjne także wiruje. Rotacja nieco spłaszcza czarną dziurę, podobnie jak to ma miejsce w przypadku ziemi. Rotacja zmienia granice nieskończonej grawitacji. W statycznej czarnej dziurze orbita kołowa jest prawie niemożliwa ze względu na swoja niestabilność. Rotacja czarnej dziury zmienia wiec zasadniczo jej cechy. Czarna dziura nie może obracać się zbyt szybko. Rzecz w tym, ze gdyby ciało poruszało się ze zbyt dużą prędkością nie powstała by czarna dziura. Ciało poruszające się po orbicie kołowej wokół czarnej dziury, która wiruje z maksymalną dozwoloną prędkością emituje w postaci fal grawitacyjnych 2 razy więcej energii niż zwykle. Uwolnienie z rotującej czarnej dziury w przeciwieństwie do statycznej jest możliwe.
Czarna dziura jest czymś w rodzaju przepaści bez dna. Są wiecznie powiększającymi się grawitacyjnymi odchlaniami.
Co stanie się z człowiekiem, który wpadłby do czarnej dziury? Czarna dziura rozerwie go na strzępy. Możliwy czas życia w czarnej dziurze równy jest czasowi, jaki potrzebuje światło by przemierzyć średnicę czarnej dziury. Nie trwa to długo, zważywszy rozmiary czarnej dziury. Rozerwanie następuje na skutek tzw. Sił przypływowych – różnica siły działającej na głowę i stopy człowieka (lub innego ciała) jest nieskończona i rozrywa go na strzępy w czasie części stutysięcznych sekundy.

W roku 1974 Stephen Hawking dokonał sensacyjnego odkrycia. Odkrycia, które może przyczynilo się znacząco do zrozumienia świata. Udowodnil on, że istnieje proces dzięki któremu czarna dziura może prowadzić do tworzenia cząstek co prowadzi do zmniejszenia masy i rozmiarów czarnej dziury. Na pierwszy rzut oka jest to niemożliwe. Rzecz w tym ,że na zewnątrz czarnej dziury pole nie może być zamrożone, ponieważ ciala muszą spadać na czarną dziurę. Otóż próżnia tak naprawde nie jest pusta. W każdym punkcie przestrzeni , co chwila powstaja tak zwane cząstki wirtualne. Jest to para identycznej cząstki i antycząstki. Ich suma energii równa jest zero. Może się tak zdarzyć że jedna z nich powstanie za horyzontem a druga przed. Pierwsza w efekcie zostanie pochlonięta a druga np.znajdująca się w ergosferze zostanie wyrzucona. Mamy wiec do czynienia z kwantowym wypromieniowaniem energii. Z obliczeń Hawkinga wynika że dziura zachowuje temperature1/10 milionowego stopnia. Czarna dziura zyskuje więcej energii w wyniku polykania międzygwiezdnego pylu i gazu. Kiedy zmniejsza się masa czarnej dziury jej temperatura wzrasta i proces parowania ulega przyspieszeniu. Temperatura czarnej dziury o masie 1000 ton wynosi 1017. parowanie zmienia się w eksplozje. Przeciętna „gwiazdowa” czarna dziura wyparuje po 1066 lat. Czarna dziura stwarza nie tylko fotony ale i inne cząstki. Im mniejsza masa tym cięższe cząstki czarna dziura może emitować. Czarna dziura o masie typowej gwiazdy produkuje: neutrina (81%), fotony (17%) i grawitony (2%).

Podsumuwując nic nie może być prostsze niż czarna dziura. Jej cechy w momencie kolapsu ograniczają się tylko do masy i ewentualnia pola elektrycznego i rotacji. Wszystkie inne cechy są zatracane i znikają w momencie kolapsu. Dla obserwatora nie mają one żadnego znaczenia. Badanie czarnej dziury rozszerza naszą wiedzę na temat czasu i przestrzeni. Ludzka wyobrażnia nie może objąć efektów zachodzących we wnętrzu czarnej dziury. Jest ona zatem mimo swej prostoty bardzo skomplikowana.

JAK POWSTAJE CZARNA DZIURA I JAK JĄ ZNALEŹĆ ?


Jak już wcześniej powiedzilam ciśnienie gazów kompensuje grawitacyjne zapadanie się gwiazdy. W miarę upływu czasu zapas paliwa jądrowego w gwieździe wyczerpuje się. Długość życia gwiazdy zależy od długości spalania paliwa. Im większa gwiazda tym więcej paliwa musi zużywać by utrzymać się przy życiu. Gwiazdy o masie zbliżonej do słońca żyją ok. 10 miliardów lat. Gdy kończy się paliwo gwiazda dalej wypromieniowuje paliwo i stopniowo się kurczy. Jeśli masa nie przekracza 1,2 masy słońca to kurczenie ustaje, gdy jej promień zmniejszy się do kilku tysięcy kilometrów. Takie gwiazdy nazywamy wtedy „białymi karłami”. Taka gwiazda może dalej świecić aż wystygnie nawet całkowicie.
Czarne dziury powstają nieuchronnie, gdy gwiazdy o dużej masie kończą swoja ewolucje.
Jak szukać czarnych dziur?

Znalezienie czarnej dziury jest bardzo trudne z uwagi na absolutnie czarny charakter, małe rozmiary i brak emisji znaczących ilości energii. Jednak gaz spadający na czarne dziury nie może spadać po linii prostej, ale zawsze po spirali. Oddziaływanie miedzy spiralami gazu podnosi jego temperaturę do 10 milionów stopni. Gaz tak podgrzany emituje promieniowanie rentgenowskie. Aby obserwować takie źródła trzeba wynieść ponad atmosferę specjalne teleskopy. Po dokładniejszych badaniach stwierdzono, że czarne dziury musza znajdować się wśród nie pulsujących źródeł rentgenowskich w układach podwójnych. Wiemy, że najważniejsza jest masa. Jeśli masa martwej gwiazdy przekracza 2 masy słońca to musi to być czarna dziura!!!

Najbardziej wiarygodnym obiektem do tej pory okazało się źródło w gwiazdozbiorze Łabędzia. Źródło tego układu to gwiazda ok. 20 razy masywniejsza od słońca. Wiele badań określa prawdopodobieństwo istnienia tam czarnej dziury na 95 %. W układzie tym obiekt obraca się, dookoła co 5,6 dnia. Czarna dziura ściąga gaz z atmosfery gwiazdy olbrzyma. Temperatura gazu w zewnętrznych częściach dysku wynosi kilkadziesiąt tysięcy stopni, podczas w wewnętrznych ponad 10 milionów stopni. Wewnętrzny dysk ma średnicę ok. 200 km, czarna dziura 30 km. Cale źródło znajduje się ok. 6 tysięcy lat świetlnych od Ziemi. Odkryto je w niedawno, od tamtej pory znaleziono ponad 20 podobnych źródeł. Do tej pory jesteśmy jednak ostrożni z mówieniem o czarnych dziurach, ponieważ są one zupełnie inne niż rzeczywistość, która nas otacza...



W SKRÓCIE...

Czarna dziura ( kollapsar) to obiekt astronomiczny, zwyrodniała gwiazda ( o masie większej od ok. 3 mas słońca) lub jądro galaktyki, którego promień stal się mniejszy od pewnej granicznej wielkości zwanej promieniem grawitacyjnym (lub promieniem Schwartzchilda). Wtedy pole grawitacyjne osiąga takie natężenie, że nawet światło nie jest w stanie je opuścić. Czarna dziura staje się, więc obiektem niewidocznym. Nie znaczy to jednak, że wyklucza się możliwość obserwacji czarnej dziury. Cz. Dziury otoczone powinny być dyskiem akreacyjnym będącym silnym źródłem promieniowania, ponadto prawdopodobnie emitują cząstki na skutek efektu, Hawkinga. Możliwa jest też obserwacja wtórnych efektów wywołanych polem grawitacyjnym czarnej dziury, takich jak: perturbacje ruchu innych ciał czy soczewkowanie grawitacyjne. Cz. Dziury są osobliwością w ujęciu ogólnej teorii względności (OTW), ich powierzchnia jest horyzontem zdarzeń. Istnieje wiele interesujących zjawisk czasoprzestrzennych w pobliżu czarnej dziury przewidywanych przez OTW. Obecnie zlokalizowano wiele obiektów, co, do których nie wyklucza się, że zawierają czarne dziury (np. centrum Galaktyki M87) jednak nie ma jednoznacznej ewidencji obserwacyjnej czarnej dziury.