O gaură neagră este un fenomen spațial de proporții extrem de mari (de obicei mai mari decât soarele) și cu masă extrem de compact, rezultând un câmp gravitațional atât de puternic încât să nu existe particule sau radiații reușește să iasă.
Deoarece chiar și lumina este aspirată, prezența unei găuri negre este evidențiată de consecințe gravitaționale observabile. în împrejurimile sale, în special prin schimbări în orbitele corpurilor cerești din apropiere, care încep să fie atrase de gaură negru.
În plus, astronomii și oamenii de știință susțin că o gaură neagră poate fi observabilă din cauza emisiilor sale de lumină.
Prima imagine a unei găuri negre
Prima imagine a unei găuri negre de 40 miliarde de kilometri situată în Galaxy M87, la 50 de milioane de ani lumină de Pământ. Foto: eveniment Telescop Horizont.
Prima imagine a unei găuri negre a fost lansată în aprilie 2019 la o conferință de la Bruxelles. Acesta a fost găsit, după 2 ani de observație și cercetare, de proiectul internațional numit Event Telescopul Orizont (EHT), care reunește aproape o duzină de radiotelescoape din lume, din Europa până în Pol Sud.
În imagine, singura parte vizibilă a găurii negre este cercul auriu, numit de astronomi "orizontul evenimentelor" (orizontul evenimentelor în portugheză) sau „punctul fără întoarcere”.
În centrul orizontului evenimentelor, există o densitate de masă incalculabilă, numită singularitate. Gravitația acestui punct este atât de puternică încât niciun obiect din jur nu poate scăpa.
În teorie, doar ceva care se mișca mai repede decât viteza luminii ar putea rezista câmpului gravitațional al unei găuri negre. Din acest motiv, nu este posibil să știm cu siguranță ce se întâmplă cu chestiunea care este aspirată.
Cum se formează o gaură neagră?
Găurile negre se formează din prăbușiri gravitaționale ale corpurilor cerești. Aceste fenomene apar atunci când presiunea internă a unui corp (de obicei stele) este insuficientă pentru a-și menține propria masă. Deci, atunci când nucleul stelei se prăbușește din cauza gravitației, corpul ceresc explodează eliberând cantități uriașe de energie într-un eveniment cunoscut sub numele de supernova.
Imagine reprezentativă a unei supernove.
În timpul unei supernove, într-o fracțiune de secundă, întreaga masă a stelei este comprimată în nucleul său pe măsură ce se deplasează către aproximativ 1/4 din viteza luminii (de fapt, tocmai în acest moment sunt cele mai grele elemente din univers creată).
Atunci explozia va da naștere unui stea neutronică sau, dacă steaua este suficient de mare, rezultatul va fi formarea unei găuri negre, a cărei cantitate astronomică de masă concentrată creează câmpul gravitațional menționat anterior. În ea, viteza de evacuare (viteza necesară pentru ca unele particule sau radiații să reziste atracției) trebuie să fie, cel puțin, mai mare decât viteza luminii.
Cât de mare este o gaură neagră?
Găurile negre vin în diferite dimensiuni. Cele mai mici cunoscute de știință sunt numite găuri negre primordiale și se crede că au dimensiunea unui atom, dar cu masa totală a unui munte.
Găurile negre medii (a căror masă este de până la 20 de ori masa totală a soarelui) sunt numite stelare. În această categorie, cea mai mică gaură neagră descoperită este de 3,8 ori masa solară.
Cele mai mari găuri negre catalogate se numesc supermasive, adesea găsite în centrul galaxiilor. De exemplu, în centrul Căii Lactee se află Săgetătorul A, o gaură neagră cu o masă echivalentă cu de 4 milioane de ori mai mare decât masa soarelui.
Până în prezent, cea mai mare gaură neagră cunoscută se numește S50014 + 81, a cărei masă este de patruzeci de miliarde de ori mai mare decât masa soarelui.
Tipuri de găuri negre
Fizicianul teoretic german Albert Einstein a formulat un set de ipoteze legate de gravitație care au servit ca bază pentru apariția fizicii moderne. Acest set de idei a fost numit Teoria generală a relativității, în care savantul a făcut mai multe observații revoluționare despre efectele gravitaționale ale găurilor negre.
Pentru Einstein, găurile negre sunt „deformări în spațiu-timp cauzate de cantitatea masivă de materie concentrată”. Teoriile sale au promovat progrese rapide în zonă și au permis clasificarea diferitelor tipuri de găuri negre:
Schwarzschild Hole Negru
Găurile negre Schwarzschild sunt cele care nu au încărcare electrică și, de asemenea, nu au impuls unghiular, adică nu se rotesc în jurul axei lor.
Gaura neagră Kerr
Găurile negre Kerr nu au încărcare electrică, dar se rotesc în jurul axei lor.
Gaura neagră Reissner-Nordstrom
Găurile negre Reissner-Nordstrom poartă o încărcare electrică, dar nu se rotesc în jurul axei lor.
Kerr-Newman Black Hole
Găurile negre Kerr-Newman poartă o sarcină electrică și se rotesc în jurul axei lor.
În teorie, tot felul de găuri negre devin în cele din urmă găuri negre Schwarzschild (statice și neîncărcate) atunci când pierd suficientă energie și încetează să se rotească. Acest fenomen este cunoscut sub numele de Procesul Penrose. În astfel de cazuri, singura modalitate de a diferenția o gaură neagră Schwarzschild de alta este prin măsurarea masei acesteia.
Structura unei găuri negre
Găurile negre sunt invizibile, deoarece câmpul gravitațional este inevitabil chiar și pentru lumină. Astfel, o gaură neagră are aspectul unei suprafețe întunecate de pe care nu se reflectă nimic și nu există nicio dovadă a ceea ce se întâmplă cu elementele care sunt aspirate în ea. Cu toate acestea, pornind de la observarea efectelor pe care le cauzează în împrejurimile lor, știința structurează găurile negre în orizontul evenimentelor, singularitate și ergosferă.
Orizontul evenimentelor
Limita câmpului gravitațional al găurii negre din care nu se observă nimic se numește orizont de eveniment sau punct fără întoarcere.
Reprezentare grafică a unui orizont de evenimente, oferită de NASA, în care se observă o sferă perfectă din care nu se emite lumină.
Deși este, de fapt, doar consecințe gravitaționale, orizontul evenimentelor este considerat parte a structurii unei găuri negre, deoarece este începutul zonei observabile a fenomenului.
Se știe că forma sa este perfect sferică în găurile negre statice și oblică în găurile negre rotative.
pentru că dilatarea timpului gravitațional, influența pe care o exercită masa găurii negre asupra spațiu-timp determină orizontul evenimentelor, chiar și în afara razei sale de acțiune, să aibă următoarele efecte:
- Pentru un observator îndepărtat, un ceas lângă orizontul evenimentelor s-ar mișca mai încet decât unul mai departe. Astfel, orice obiect aspirat în gaura neagră pare să încetinească până când pare a fi paralizat în timp.
- Pentru un observator îndepărtat, obiectul care se apropie de orizontul evenimentelor ar presupune o nuanță roșiatică, o consecință a fenomen fizic cunoscut sub numele de redshift, deoarece frecvența luminii este redusă de câmpul gravitațional al găurii negru.
- Din punctul de vedere al obiectului, timpul ar trece cu o viteză accelerată pentru întregul univers, în timp ce pentru tine, timpul ar trece normal.
Singularitate
Punctul central al unei găuri negre, unde masa stelei a devenit infinit concentrată, se numește singularitate, despre care se știe puțin. În teorie, singularitatea conține masa totală a stelei prăbușite, plus masa tuturor corpurilor aspirate de câmpul gravitațional, dar nu are volum sau suprafață.
Ergosfera
Erosfera este o zonă care înconjoară orizontul evenimentelor în găuri negre rotative, în care este imposibil ca un corp ceresc să rămână staționar.
De asemenea, conform relativității lui Einstein, orice obiect care se rotește tinde să tragă spațiu-timp aproape de el. Într-o gaură neagră rotativă, acest efect este atât de puternic încât ar necesita ca un corp ceresc să se miște în direcția opusă cu o viteză mai mare decât viteza luminii pentru a rămâne staționară.
Este important să nu confundați efectele ergosferice cu efectele orizontului evenimentelor. Ergosfera nu atrage obiecte cu câmpul gravitațional. Astfel, orice lucru care intră în contact cu acesta va fi deplasat doar în spațiu-timp și va fi atras numai dacă traversează orizontul evenimentelor.
Teoriile găurilor negre ale lui Stephen Hawking
Stephen Hawking a fost unul dintre cei mai influenți fizicieni și cosmologi din secolele XX și XXI. Printre numeroasele sale contribuții, Hawking a rezolvat câteva teoreme propuse de Einstein că a contribuit la teoria conform căreia universul a început într-o singularitate, consolidând și mai mult apel Teoria Big Bang.
Hawking mai credea că găurile negre nu sunt complet negre, dar emit cantități mici de radiații termice. Acest efect a fost cunoscut în fizică sub numele de Radiații Hawking. Această teorie prezice că găurile negre ar pierde masa cu radiația eliberată și, într-un proces extrem de lent, s-ar micșora până vor dispărea.
Vezi și:
- Teoria relativitatii
- Gravitatie
- Marea explozie
