Czarna dziura to zjawisko przestrzenne o niezwykle dużych proporcjach (zwykle większej niż Słońce) i masie niezwykle zwarty, co powoduje, że pole grawitacyjne jest tak silne, że nie ma cząstek ani promieniowania udaje się wydostać.
Ponieważ nawet światło jest zasysane, o obecności czarnej dziury świadczą obserwowalne konsekwencje grawitacyjne. w jego otoczeniu, zwłaszcza przez zmiany orbit pobliskich ciał niebieskich, które zaczynają być przyciągane do dziury czarny.
Ponadto astronomowie i naukowcy twierdzą, że czarną dziurę można obserwować ze względu na emisję światła.
Pierwszy obraz czarnej dziury
Pierwsze zdjęcie czarnej dziury o średnicy 40 miliardów kilometrów znajdującej się w Galaktyce M87, 50 milionów lat świetlnych od Ziemi. Zdjęcie: Wydarzenie Teleskop Horizont.
Pierwszy obraz czarnej dziury został opublikowany w kwietniu 2019 roku na konferencji w Brukseli. Odkrył go, po 2 latach obserwacji i badań, międzynarodowy projekt o nazwie Event Horizon Telescope (EHT), który skupia blisko tuzin radioteleskopów na świecie, od Europy po biegun Południe.
Na zdjęciu jedyną widoczną częścią czarnej dziury jest złoty okrąg, zwany przez astronomów”horyzont zdarzeń" (horyzont zdarzeń w języku portugalskim) lub „punkt bez powrotu”.
W centrum horyzontu zdarzeń znajduje się nieobliczalna gęstość masy, zwana osobliwością. Grawitacja tego punktu jest tak silna, że żadne otaczające obiekty nie mogą uciec.
Teoretycznie tylko coś poruszającego się szybciej niż prędkość światła może oprzeć się polu grawitacyjnemu czarnej dziury. Z tego powodu nie można wiedzieć na pewno, co dzieje się z zassaną materią.
Jak powstaje czarna dziura?
Czarne dziury powstają w wyniku grawitacyjnego zapadania się ciał niebieskich. Zjawiska te występują, gdy wewnętrzne ciśnienie ciała (zwykle gwiazd) jest niewystarczające do utrzymania własnej masy. Kiedy więc jądro gwiazdy zapada się z powodu grawitacji, ciało niebieskie eksploduje, uwalniając ogromne ilości energii w zdarzeniu znanym jako supernowa.
Reprezentatywny obraz supernowej.
Podczas supernowej, w ułamku sekundy, cała masa gwiazdy zostaje ściśnięta w jej jądrze, gdy porusza się ona do około 1/4 prędkości światła (w rzeczywistości to właśnie w tym momencie najcięższe pierwiastki we wszechświecie są Utworzony).
Wtedy wybuch spowoduje powstanie gwiazda neutronowa lub, jeśli gwiazda jest wystarczająco duża, wynikiem będzie powstanie czarnej dziury, której astronomiczna ilość skoncentrowanej masy tworzy wspomniane pole grawitacyjne. W nim prędkość ucieczki (prędkość potrzebna jakiejś cząstce lub promieniowaniu do oparcia się przyciąganiu) musi być co najmniej większa niż prędkość światła.
Jak duża jest czarna dziura?
Czarne dziury występują w różnych rozmiarach. Najmniejsze znane nauce nazywane są pierwotnymi czarnymi dziurami i uważa się, że są wielkości atomu, ale mają całkowitą masę góry.
Średnie czarne dziury (których masa jest do 20 razy większa od całkowitej masy Słońca) nazywane są gwiazdami. W tej kategorii najmniejsza odkryta czarna dziura ma masę 3,8 razy większą od masy Słońca.
Największe skatalogowane czarne dziury nazywane są supermasywnymi, często występującymi w centrach galaktyk. Na przykład w centrum Drogi Mlecznej znajduje się Strzelec A, czarna dziura o masie odpowiadającej 4 milionom mas Słońca.
Jak dotąd największa znana czarna dziura nazywa się S50014+81, a jej masa jest czterdzieści miliardów mas Słońca.
Rodzaje czarnych dziur
Niemiecki fizyk teoretyczny Albert Einstein sformułował zestaw hipotez związanych z grawitacją, który posłużył jako podstawa do powstania współczesnej fizyki. Ten zestaw pomysłów został nazwany Ogólna teoria względności, w którym naukowiec dokonał kilku przełomowych obserwacji dotyczących grawitacyjnego wpływu czarnych dziur.
Dla Einsteina czarne dziury to „deformacje w czasoprzestrzeni spowodowane ogromną ilością skoncentrowanej materii”. Jego teorie promowały szybki postęp w tej dziedzinie i umożliwiły klasyfikację różnych typów czarnych dziur:
Czarna dziura Schwarzschilda
Czarne dziury Schwarzschilda to takie, które nie mają ładunku elektrycznego, a także nie mają momentu pędu, to znaczy nie obracają się wokół własnej osi.
Czarna dziura Kerra
Czarne dziury Kerra nie mają ładunku elektrycznego, ale obracają się wokół własnej osi.
Czarna dziura Reissnera-Nordstroma
Czarne dziury Reissnera-Nordstroma przenoszą ładunek elektryczny, ale nie obracają się wokół własnej osi.
Kerr-Newman Czarna Dziura
Czarne dziury Kerra-Newmana przenoszą ładunek elektryczny i obracają się wokół własnej osi.
Teoretycznie wszystkie rodzaje czarnych dziur w końcu stają się czarnymi dziurami Schwarzschilda (statycznymi i nienaładowanymi), gdy tracą wystarczającą ilość energii i przestają się obracać. Zjawisko to jest znane jako Proces Penrose'a. W takich przypadkach jedynym sposobem na odróżnienie jednej czarnej dziury Schwarzschilda od drugiej jest pomiar jej masy.
Struktura czarnej dziury
Czarne dziury są niewidoczne, ponieważ ich pole grawitacyjne jest nieuniknione nawet dla światła. Tak więc czarna dziura ma wygląd ciemnej powierzchni, od której nic nie odbija się i nie ma dowodów na to, co dzieje się z elementami, które są w nią wsysane. Jednak zaczynając od obserwacji skutków, jakie wywołują w swoim otoczeniu, nauka strukturyzuje czarne dziury w horyzont zdarzeń, osobliwość i ergosferę.
Horyzont zdarzeń
Granica pola grawitacyjnego czarnej dziury, z której nic nie jest obserwowane, nazywana jest horyzontem zdarzeń lub punkt bez powrotu.
Graficzne przedstawienie horyzontu zdarzeń dostarczonego przez NASA, w którym obserwuje się idealną sferę, z której nie emituje światła.
Horyzont zdarzeń, mimo że w rzeczywistości jest to tylko grawitacyjne konsekwencje, jest uważany za część struktury czarnej dziury, ponieważ jest początkiem obserwowalnego obszaru zjawiska.
Wiadomo, że jego kształt jest idealnie kulisty w statycznych czarnych dziurach i ukośny w obracających się czarnych dziurach.
Dlatego grawitacyjna dylatacja czasu, wpływ masy czarnej dziury na czasoprzestrzeń powoduje, że horyzont zdarzeń, nawet poza jego zasięgiem, ma następujące skutki:
- Dla odległego obserwatora zegar w pobliżu horyzontu zdarzeń poruszałby się wolniej niż jeden dalej. W ten sposób każdy obiekt zasysany do czarnej dziury wydawałby się zwalniać, aż do momentu, gdy wydaje się, że jest sparaliżowany w czasie.
- Dla odległego obserwatora obiekt zbliżający się do horyzontu zdarzeń przybrałby czerwonawy odcień, będący konsekwencją zjawisko fizyczne znane jako przesunięcie ku czerwieni, ponieważ częstotliwość światła jest zmniejszana przez pole grawitacyjne dziury czarny.
- Z punktu widzenia obiektu, czas upłynąłby w przyspieszonym tempie dla całego wszechświata, podczas gdy dla ciebie czas upłynąłby normalnie.
Osobliwość
Punkt centralny czarnej dziury, w którym masa gwiazdy jest nieskończenie skoncentrowana, nazywa się osobliwością, o której niewiele wiadomo. Teoretycznie osobliwość zawiera całkowitą masę zapadłej gwiazdy plus masę wszystkich ciał wessanych przez pole grawitacyjne, ale nie ma objętości ani powierzchni.
Ergosfera
Ergosfera to strefa otaczająca horyzont zdarzeń w obracających się czarnych dziurach, w której ciało niebieskie nie może pozostać nieruchome.
Również zgodnie z teorią względności Einsteina każdy obracający się obiekt ma tendencję do przyciągania do siebie czasoprzestrzeni. W obracającej się czarnej dziurze efekt ten jest tak silny, że wymagałoby to, aby ciało niebieskie poruszało się w przeciwnym kierunku z prędkością większą niż prędkość światła, aby pozostać nieruchomym.
Ważne jest, aby nie mylić efektów ergosfery z efektami horyzontu zdarzeń. Ergosfera nie przyciąga obiektów polem grawitacyjnym. Tak więc wszystko, co się z nim zetknie, zostanie przemieszczone w czasoprzestrzeni i będzie przyciągane tylko wtedy, gdy przekroczy horyzont zdarzeń.
Teorie czarnych dziur Stephena Hawkinga
Stephen Hawking był jednym z najbardziej wpływowych fizyków i kosmologów XX i XXI wieku. Wśród swoich licznych wkładów Hawking rozwiązał kilka twierdzeń zaproponowanych przez Einsteina, że: przyczynił się do powstania teorii, że wszechświat zaczął się w osobliwości, dodatkowo wzmacniając połączenie Teoria wielkiego podrywu.
Hawking uważał również, że czarne dziury nie są całkowicie czarne, ale emitują niewielkie ilości promieniowania cieplnego. Efekt ten był znany w fizyce jako Promieniowanie Hawkinga. Teoria ta przewiduje, że czarne dziury stracą masę wraz z uwolnionym promieniowaniem i, w niezwykle powolnym procesie, kurczą się, aż znikną.
Zobacz też:
- Teoria względności
- Powaga
- Wielki Wybuch
