Czarna dziura

Co to jest czarna dziura:

Czarna dziura jest zjawiskiem kosmicznym o bardzo dużych proporcjach (zwykle większych niż Słońce) i niezwykle zwartą masą, co powoduje, że pole grawitacyjne jest tak silne, że żadna cząstka ani promieniowanie nie może się wydostać.

Biorąc pod uwagę, że nawet światło jest zasysane, czarne dziury są niewidoczne, a ich istnienie jest potwierdzone jedynie przez grawitacyjne konsekwencje obserwowane w jego otoczeniu, zwłaszcza przez zmiany orbit w pobliżu ciał niebieskich, które są teraz przyciągane do czarnej dziury.

Teoretycznie tylko coś, co porusza się z prędkością większą niż prędkość światła, byłoby w stanie wytrzymać pole grawitacyjne czarnej dziury. Z tego powodu nie można wiedzieć na pewno, co dzieje się z materią, która jest zasysana.

Jak duża jest czarna dziura?

Czarne dziury istnieją w różnych rozmiarach. Osoby znane nauce nazywane są pierwotnymi czarnymi dziurami i uważa się, że są wielkości atomu, ale z całkowitą masą 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 3, 8-krotność masy Słońca.

Największe skatalogowane czarne dziury nazywane są supermasywnymi, często znajdowanymi w centrum galaktyk. Przykładowo, w środku Drogi Mlecznej znajduje się Strzelec A, czarna dziura o masie równej 4 milionom masy Słońca.

Jak dotąd największa znana czarna dziura nazywa się S50014 + 81, której masa jest równa czterdziestu miliardom masy Słońca.

Jak powstają czarne dziury?

Czarne dziury powstają z grawitacyjnych zapadnięć ciał niebieskich. Zjawiska te występują, gdy ciśnienie wewnętrzne ciała (zwykle gwiazd) jest niewystarczające do utrzymania własnej masy. Więc kiedy jądro gwiazdy zapada się z powodu grawitacji, ciało niebieskie wybucha, uwalniając ogromne ilości energii do zdarzenia znanego jako supernowa .

Wizualna reprezentacja supernowej.

Podczas supernowej, w ułamku sekundy, cała masa gwiazdy zostaje skompresowana do jądra, poruszając się z prędkością około 1/4 prędkości światła (w tym momencie powstają najcięższe elementy wszechświata).

Następnie eksplozja doprowadzi do powstania gwiazdy neutronowej lub, jeśli gwiazda jest wystarczająco duża, powstanie czarna dziura, której astronomiczna ilość skoncentrowanej masy tworzy wspomniane pole grawitacyjne. W nim prędkość ucieczki (prędkość niezbędna do tego, aby niektóre cząstki lub promieniowanie były odporne na przyciąganie) musi być co najmniej większa niż prędkość światła.

Rodzaje czarnych dziur

Niemiecki fizyk teoretyczny Albert Einstein sformułował zestaw hipotez związanych z grawitacją, które posłużyły za podstawę powstania współczesnej fizyki. Ten zbiór pomysłów został nazwany Teorią Ogólnej Teorii Względności, w której naukowiec dokonał kilku innowacyjnych obserwacji na temat grawitacyjnych efektów czarnych dziur.

Dla Einsteina czarne dziury to „deformacje czasoprzestrzeni spowodowane ogromną ilością skoncentrowanej materii”. Jego teorie promowały szybki postęp w tej dziedzinie i pozwoliły na klasyfikację różnych rodzajów czarnych dziur:

Czarna dziura Schwarzschilda

Czarne dziury Schwarzschilda to te, które nie mają ładunku elektrycznego, a także nie mają impulsu kątowego, to znaczy nie obracają się wokół własnej osi.

Kerr Black Hole

Czarne dziury Kerra nie mają ładunku elektrycznego, ale obracają się wokół własnej osi.

Reissner-Nordstrom Czarna dziura

Czarne dziury Reissnera-Nordstroma mają ładunek elektryczny, ale nie obracają się wokół własnej osi.

Kerr-Newman Black Hole

Czarne dziury Kerr-Newmana są naładowane elektrycznie i wirują wokół swojej osi.

Teoretycznie wszystkie rodzaje czarnych dziur ostatecznie stają się czarnymi dziurami Schwarzschilda (statyczne i bez ładunku elektrycznego), gdy tracą wystarczająco dużo energii i przestają się obracać. Zjawisko to znane jest jako proces Penrose'a . W takich przypadkach jedynym sposobem na odróżnienie czarnej dziury od Schwarzschilda od innej 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, z której nic się nie odbija i nie ma dowodów na to, co dzieje się z wessanymi do niej żywiołami. Jednak z obserwacji skutków, jakie powodują w swoim otoczeniu, nauka układa czarne dziury w horyzoncie zdarzeń, osobliwości i ergosferze .

Horyzont wydarzeń

Granica pola grawitacyjnego czarnej dziury, z której nic nie jest obserwowane, nazywana jest horyzontem zdarzeń lub punktem bez powrotu .

Graficzna reprezentacja horyzontu zdarzeń, udostępniona przez NASA, w której obserwuje się idealną sferę, z której nie emitowane jest światło.

Chociaż jest to właściwie tylko konsekwencje grawitacyjne, horyzont zdarzeń jest uważany za część struktury czarnej dziury, ponieważ jest to początek obserwowalnego obszaru zjawiska.

Wiadomo, że jego kształt jest idealnie kulisty w statycznych czarnych dziurach i ukośny w obracających się czarnych dziurach.

Dzięki grawitacyjnej dylatacji czasu wpływ masy czarnej dziury na czasoprzestrzeń powoduje, że horyzont zdarzeń, nawet poza jego zasięgiem, ma następujące efekty:

Dla odległego obserwatora zegar w pobliżu horyzontu zdarzeń poruszałby się wolniej niż inny dalej. Tak więc, jakikolwiek obiekt zassany do czarnej dziury wydaje się zwalniać, dopóki nie wydaje się sparaliżowany w czasie.
Dla odległego obserwatora obiekt zbliżający się do horyzontu zdarzeń przyjmowałby czerwonawy odcień, będący konsekwencją zjawiska fizycznego znanego jako przesunięcie ku czerwieni, ponieważ częstotliwość światła jest zmniejszana przez pole grawitacyjne czarnej dziury.
Z punktu widzenia obiektu czas mijałby z przyspieszoną prędkością dla całego wszechświata, podczas gdy dla siebie czas mijałby normalnie.

Osobliwość

Centralny punkt czarnej dziury, w której masa gwiazdy stała się nieskończenie skoncentrowana, nazywany jest osobliwością, o której niewiele wiadomo. Teoretycznie osobliwość zawiera całkowitą masę gwiazdy, która zapadła się, dodaną do masy wszystkich ciał zasysanych przez pole grawitacyjne, ale nie ma objętości ani powierzchni.

Ergosfera

Ergosfera jest obszarem, który omija horyzont zdarzeń w obracających się czarnych dziurach, w których ciało niebieskie nie może się zatrzymać.

Jednak zgodnie z teorią względności Einsteina każdy obracający się obiekt ma tendencję do przeciągania czasoprzestrzeni w jego pobliżu. W obracającej się czarnej dziurze efekt ten jest tak silny, że byłoby konieczne, aby ciało niebieskie poruszało się w przeciwnym kierunku z prędkością większą niż prędkość światła, aby pozostawało nieruchomo.

Ważne jest, aby nie mylić efektów ergosfery z efektami horyzontu zdarzeń. Ergosfera nie przyciąga obiektów polem grawitacyjnym. Zatem wszystko, co ma z nim kontakt, będzie przemieszczane tylko w czasoprzestrzeni i będzie przyciągane tylko wtedy, gdy przecina horyzont zdarzeń.

Teorie Stephena Hawkinga na temat czarnych dziur

Stephen Hawking był jednym z najbardziej wpływowych fizyków i kosmologów w XX i XXI w. Wśród licznych doniesień Hawking rozwiązał kilka twierdzeń zaproponowanych przez Einsteina, które przyczyniły się do teorii, że wszechświat rozpoczął się w osobliwości, dodatkowo wzmacniając tzw. Wielki Wybuch .

Hawking uważał również, że czarne dziury nie są całkowicie czarne, ale emitują niewielkie ilości promieniowania cieplnego. Efekt ten był znany w fizyce jako Hawking Radiation . Teoria ta przewiduje, że czarne dziury straciłyby masę z uwolnionym promieniowaniem i, w niezwykle powolnym procesie, zmniejszyłyby się aż do zaniku.