Crna rupa je prostorni fenomen izuzetno velikih proporcija (obično većih od sunca) i mase izuzetno kompaktan, što rezultira gravitacijskim poljem toliko jakim da nema čestica ili zračenja uspije se izvući.
Budući da se usisava čak i svjetlost, prisutnost crne rupe dokazuju vidljive gravitacijske posljedice. u svojoj okolini, posebno promjenama orbite obližnjih nebeskih tijela, koja rupa počinje privlačiti crno.
Uz to, astronomi i znanstvenici tvrde da se crna rupa može uočiti zbog emisije svjetlosti.
Prva slika crne rupe
Prva slika crne rupe promjera 40 milijardi kilometara koja se nalazi u Galaksiji M87, 50 milijuna svjetlosnih godina od Zemlje. Foto: događaj teleskopa Horizont.
Prva slika crne rupe objavljena je u travnju 2019. na konferenciji u Bruxellesu. Pronađen je nakon dvije godine promatranja i istraživanja međunarodnim projektom pod nazivom Event Horizon Telescope (EHT), koji okuplja gotovo desetak radio-teleskopa u svijetu, od Europe do Pola Jug.
Na slici je jedini vidljivi dio crne rupe zlatni krug, koji astronomi nazivaju "
horizont događaja" (horizont događaja na portugalskom) ili "točka bez povratka".U središtu horizonta događaja nalazi se nesaglediva gustoća mase, koja se naziva singularnost. Gravitacija ove točke je toliko jaka da niti jedan okolni objekt ne može pobjeći.
U teoriji, samo nešto što se kreće brže od brzine svjetlosti moglo se oduprijeti gravitacijskom polju crne rupe. Iz tog razloga nije moguće sa sigurnošću znati što se događa s materijom koja je usisana.
Kako nastaje crna rupa?
Crne rupe nastaju iz gravitacijskih kolapsa nebeskih tijela. Te se pojave događaju kada unutarnji pritisak tijela (obično zvijezda) nije dovoljan da održi vlastitu masu. Dakle, kad se srž zvijezde sruši zbog gravitacije, nebesko tijelo eksplodira oslobađajući ogromne količine energije u događaju poznatom kao supernova.
Reprezentativna slika supernove.
Tijekom supernove, u djeliću sekunde, cijela masa zvijezde stisne se u njezinu jezgru dok se kreće prema približno 1/4 brzine svjetlosti (zapravo, upravo su u ovom trenutku najteži elementi u svemiru stvorena).
Tada će eksplozija stvoriti a neutronska zvijezda ili, ako je zvijezda dovoljno velika, rezultat će biti stvaranje crne rupe, čija astronomska količina koncentrirane mase stvara gore spomenuto gravitacijsko polje. U njemu brzina bijega (brzina potrebna da bi se neka čestica ili zračenje oduprla privlačenju) mora biti barem veća od brzine svjetlosti.
Koliko je velika crna rupa?
Crne rupe imaju različite veličine. Najmanje koje je znanost znano nazivaju se iskonskim crnim rupama i vjeruje se da su veličine atoma, ali s ukupnom masom planine.
Srednje crne rupe (čija je masa i do 20 puta veća od ukupne mase sunca) nazivaju se zvjezdanim. U ovoj kategoriji najmanja otkrivena crna rupa je 3,8 puta veća od Sunčeve mase.
Najveće katalogizirane crne rupe nazivaju se supermasivima, koje se često nalaze u središtu galaksija. Kao primjer, u središtu Mliječne staze je Strijelac A, crna rupa s masom ekvivalentnom 4 milijuna puta većoj od mase sunca.
Do sada se najveća poznata crna rupa naziva S50014 + 81, čija je masa četrdeset milijardi puta veća od mase sunca.
Vrste crnih rupa
Njemački teorijski fizičar Albert Einstein formulirao je niz hipoteza povezanih s gravitacijom koje su poslužile kao osnova za nastanak moderne fizike. Ovaj skup ideja je dobio ime Opća teorija relativnosti, u kojem je znanstvenik iznio nekoliko revolucionarnih zapažanja o gravitacijskim učincima crnih rupa.
Za Einsteina su crne rupe "deformacije u prostoru-vremenu uzrokovane ogromnom količinom koncentrirane tvari". Njegove teorije promicale su brzi napredak na tom području i omogućile klasifikaciju različitih vrsta crnih rupa:
Schwarzschild crna rupa
Schwarzschildove crne rupe su one koje nemaju električni naboj, a također nemaju ni kutni zamah, odnosno ne rotiraju se oko svoje osi.
Kerrova crna rupa
Kerrove crne rupe nemaju električnog naboja već se okreću oko svoje osi.
Reissner-Nordstrom crna rupa
Reissner-Nordstromove crne rupe nose električni naboj, ali se ne okreću oko svoje osi.
Kerr-Newmanova crna rupa
Kerr-Newmanove crne rupe nose električni naboj i rotiraju se oko svoje osi.
U teoriji, sve vrste crnih rupa na kraju postaju Schwarzschild (statične i nenapunjene) crne rupe kada izgube dovoljno energije i prestanu se okretati. Taj je fenomen poznat kao Penroseov proces. U takvim slučajevima jedini način za razlikovanje jedne Schwarzschildove crne rupe od druge jest mjerenjem njene mase.
Struktura crne rupe
Crne rupe su nevidljive jer je njihovo gravitacijsko polje neizbježno čak ni za svjetlost. Dakle, crna rupa ima izgled tamne površine od koje se ništa ne odražava i nema dokaza o tome što se događa s elementima koji su u nju usisani. Međutim, polazeći od promatranja učinaka koje uzrokuju u svojoj okolini, znanost strukturira crne rupe u horizont događaja, singularnost i ergosferu.
Horizont događaja
Granica gravitacijskog polja crne rupe s koje se ništa ne opaža naziva se horizontom događaja ili točka bez povratka.
Grafički prikaz horizonta događaja, pružio NASA, u kojem se promatra savršena kugla iz koje se ne emitira svjetlost.
Iako su zapravo samo gravitacijske posljedice, horizont događaja smatra se dijelom strukture crne rupe jer je to početak vidljivog područja fenomena.
Poznato je da je njegov oblik savršeno kuglast u statičkim crnim rupama i kosi u rotirajućim crnim rupama.
Jer gravitacijsko dilatacija vremena, utjecaj koji masa crne rupe vrši na prostor-vrijeme uzrokuje da horizont događaja, čak i izvan njegovog dometa, ima sljedeće učinke:
- Dalekom promatraču sat u blizini horizonta događaja kretao bi se sporije nego jedan dalje. Dakle, čini se da bi svaki predmet koji se usisava u crnu rupu usporio dok se ne čini paraliziranim na vrijeme.
- Za udaljenog promatrača objekt koji se približava horizontu događaja poprimit će crvenkastu nijansu, posljedica fizički fenomen poznat kao crveni pomak, jer se frekvencija svjetlosti smanjuje gravitacijskim poljem rupe crno.
- S gledišta objekta, vrijeme bi prolazilo ubrzanom brzinom za cijeli svemir, dok bi za vas vrijeme prolazilo normalno.
Jedinstvenost
Središnja točka crne rupe, u kojoj se masa zvijezde postala beskrajno koncentrirana, naziva se singularnošću, o kojoj se malo zna. U teoriji, singularnost sadrži ukupnu masu srušene zvijezde, plus masu svih tijela usisanih gravitacijskim poljem, ali nema volumen ili površinu.
Ergosfera
Ergosfera je zona koja okružuje horizont događaja u rotirajućim crnim rupama, u kojoj je nemoguće da nebesko tijelo ostane u mirovanju.
Također prema Einsteinovoj relativnosti, svaki rotirajući objekt teži povlačenju prostora-vremena blizu sebe. U rotirajućoj crnoj rupi taj je učinak toliko jak da bi nebesko tijelo zahtijevalo kretanje u suprotnom smjeru brzinom većom od brzine svjetlosti da bi ostalo u mirovanju.
Važno je ne miješati efekte ergosfere s efektima horizonta događaja. Ergosfera ne privlači predmete s gravitacijskim poljem. Stoga će sve što dođe u kontakt s njom biti pomaknuto samo u prostor-vremenu i privući će se samo ako prijeđe horizont događaja.
Teorije crnih rupa Stephena Hawkinga
Stephen Hawking bio je jedan od najutjecajnijih fizičara i kozmologa 20. i 21. stoljeća. Među svojim brojnim doprinosima, Hawking je riješio nekoliko teorema koje je Einstein predložio doprinio je teoriji da je svemir započeo u singularnosti, dodatno ojačavajući poziv Teorija velikog praska.
Hawking je također vjerovao da crne rupe nisu potpuno crne već emitiraju male količine toplinskog zračenja. Ovaj je učinak u fizici bio poznat kao Hawkingovo zračenje. Ova teorija predviđa da će crne rupe gubiti masu s oslobođenim zračenjem i, u izuzetno sporom procesu, smanjivati se dok ne nestanu.
Pogledajte i:
- Teorija relativnosti
- Gravitacija
- veliki prasak
