Czarne dziury

Czarne dziury
Rąba Andrzej Kl. IVTr I
CZYM JEST CZARNA DZIURA
•
Czarna dziura jest tworem
grawitacji, której podlegają
zarówno cząstki o małych, jak i o
dużych masach, a nawet światło.
Największe i najjaśniejsze ciała
mogą być niewidoczne, ponieważ
przyciąganie jasnej gwiazdy o tej
samej gęstości co Ziemia i
średnicy 250 razy większej od
Słońca, nie pozwoliłaby żadnemu
promieniowi do nas dotrzeć.
Prędkość ucieczki dla Ziemi
wynosi 11,2 km/s, a zależy ona
rozmiarów i masy obiektu, który
ciało chce opuścić. Jeśli prędkość
ucieczki przekraczałaby prędkość
światła, światło takiej gwiazdy nie
byłoby w stanie do nas dotrzeć.
JAK POWSTAJE CZARNA
DZIURA
•
Według teorii Alberta Einsteina, w silnym
polu grawitacyjnym czas płynie wolniej niż w
słabym. W polu tym wszystkie procesy
ulegają spowolnieniu (dylatacja czasu) z
punktu widzenia obserwatora, a silne pola
grawitacyjne powodują zmianę
geometrycznych własności przestrzeni, co
oznacza, że np. suma kątów w trójkącie nie
równa się 180 stopni. Czas i przestrzeń
tworzą zakrzywiającą się czterowymiarową
"czasoprzestrzeń". Siła grawitacji na
powierzchni gwiazdy osiąga nieskończoną
wartość, a kiedy rozmiary ciała zbliżają się
do promienia grawitacyjnego, grawitacja
zmierza do nieskończoności. W tej sytuacji
nie może zostać zrównoważona przez
skończone ciśnienie i ciało nieuchronnie
musi się zapaść do środka, co prowadzi do
powstania czarnej dziury. W jej pobliżu
czas zaczyna biec coraz wolniej.
POLE GRAWITACYJNE W
CZARNEJ DZIURZE
•
Pole grawitacyjne oddziałuje na światło w
taki sposób, że zmienia jego częstość i
ugina trajektorie fotonów, a efekt jest
silniejszy bliżej czarnej dziury. Kolaps
obracającego się ciała prowadzi do
powstania wirującej czarnej dziury.
Rotacja spłaszcza czarną dziurę, a gdy nie
mamy do czynienia z rotacją, pole
grawitacyjne osiąga nieskończoną wartość
na sferze Schwarzschilda (horyzont, spoza
którego nic nie może się wydostać). Rotacja
to jednak zmienia. Grawitacja staje się
nieskończona na zewnątrz horyzontu, na
powierzchni zwanej ergosferą. Gdy ciało
przekroczy tę powierzchnię, pole wirowe
zmusza je do ruchu względem czarnej
dziury. Wszystkie ciała wewnątrz
powierzchni ergosfery są zmuszane do
okrążania czarnej dziury. Nieskończona siła
ciążenia działa tylko na ciało spoczywające.
Ciało może się poruszać wewnątrz
ergosfery po orbitach kołowych, nie
spadając na centrum.
•
Materia, z której zbudowana jest zwykła gwiazda,
podobna do naszego Słońca, podlega działaniu
dwóch przeciwstawnych sił: grawitacji, usiłującej
ścisnąć materię do centralnego punktu, i ciśnieniu
gorącego gazu, próbującego rozepchnąć gwiazdę.
Gwiazda jest stabilna, gdy te dwie siły się
równoważą. Powierzchnia gorącej gwiazdy ciągle
emituje energię. Gdy wyczerpuje się paliwo
jądrowe, gwiazda nadal wypromieniowuje energię i
stopniowo się kurczy. Jeśli masa gwiazdy nie
przewyższa masy Słońca więcej niż 1,2 razy to
kurczenie się ustaje w chwili, gdy jej promień
zmniejszy się do kilku tysięcy kilometrów. Takie
gwiazdy nazywamy białymi karłami. Po
zamienieniu się w białego karła gwiazda nadal
stygnie, ale jej promień pozostaje niezmieniony.
Dalszemu kurczeniu się białego karła przeciwstawia
się ciśnienie gazu. Jeśli masa gwiazdy przekroczy
masę Słońca więcej niż 1,2 razy, gwiazda skurczy
się do rozmiarów, przy których jest ona tak gęsta,
że zaczynają odgrywać rolę pewne reakcje jądrowe
pochłaniające duże ilości energii. Spowoduje to, że
równowaga między siłami grawitacji i ciśnienia
załamie się, a gwiazda gwałtownie się zapadnie.
Wówczas może nastąpić rozbłysk supernowej gwiazda odrzuca wtedy swoją otoczkę i zamienia
się w gwiazdę neutronową. Siły grawitacji ściskają
w niej materię tak bardzo, że w środku gwiazdy
staje się porównywalna z gęstością jądra
atomowego. Jeśli gwiazda zmniejszy rozmiary
poniżej promienia grawitacyjnego, proces kurczenia
trwa dalej.
ŁĄCZENIE CZARNYCH DZIUR
• Możliwe jest łączenie się
czarnych dziur
polegającym na
czołowym zderzeniu
dwóch czarnych dziur i
połączeniu się w jedną.
Powierzchnia horyzontu
powstałej w ten sposób
czarnej dziury jest wtedy
większa niż łączna
powierzchnia horyzontów
zderzających się dziur.
•
Czarna dziura powinna uginać
przechodzące w jej pobliżu promienie
świetlne. Czarne dziury mają takie
same masy jak duże gwiazdy, a różnią
się wyłącznie tym, że nie świecą. W
1964 roku dwaj radzieccy astrofizycy,
O. H. Gusejnow i J. Zeldowicz
zaproponowali poszukiwanie
czarnych dziur w układach
podwójnych gwiazd. Założyli, że
mogą istnieć układy, w których jednym
składnikiem jest normalna gwiazda, a
drugim czarna dziura. Oba ciała krążą
wokół wspólnego środka masy, a
ponieważ czarna dziura jest
niewidoczna, wydaje się, że jasny
składnik obraca się wokół niczego.
Jednak często wyjaśnienie jest takie,
że druga gwiazda świeci, ale znacznie
słabiej niż pierwsza i jej światło ginie w
promieniowaniu jaśniejszego składnika.
JAK ZLOKALIZOWAĆ
CZARNĄ DZIURĘ
•
Aby wykryć czarną dziurę wśród wygasłych gwiazd
należy wykazać, że masa niewidocznego składnika
przekracza wartość krytyczną. Jeśli tak jest i
wynosi ona np. 5 mas Słońca, może to być tylko
czarna dziura. Metoda ta nie jest jednak skuteczna.
W trakcie ewolucji gaz przepływa z początkowo
masywniejszego składnika do mniej masywnego, w
efekcie czego widoczna gwiazda ma ostatecznie
większą masę od nowo powstałej czarnej dziury.
Należało więc ustalić, czy istnieje zjawisko, w
którym czarna dziura odgrywałaby aktywną i
jednoznaczną rolę. W przestrzeni
międzygwiazdowej odkryto bardzo duże mgławice
gazowe. Gdyby w takiej mgławicy znajdowała się
czarna dziura, przyciągany przez nią gaz spadałby
na nią, a w miarę spadania gazu w polu
grawitacyjnym energia pola magnetycznego
zamieniałaby się w ciepło. "Gorące" elektrony, które
poruszają się w polu magnetycznym,
wypromieniowują fale elektromagnetyczne, a
promieniowanie częściowo zostaje złapane przez
czarną dziurę. Większość energii rejestrowanej
przez odległego obserwatora jest emitowana w
odległości kilku promieni grawitacyjnych od jej
środka. Na drodze ku czarnej dziurze gorący gaz
wysyła w jej przestrzeń energię.
•
Jasność gazu spadającego na czarną dziurę
jest raczej niewysoka. Jeśli wchodzi ona w
skład ciasnego układu podwójnego, którego
drugim składnikiem jest duża gwiazda
(olbrzym), gaz z jego otoczki zacznie szybko
spadać do czarnej dziury. Gaz w takim
układzie podwójnym nie może jednak po
prostu spaść na czarną dziurę ze względu
na ruch orbitalny, przez który strumień gazu
okrąża czarną dziurę i tworzy wokół niej
dysk. Gaz ogrzany do temperatury 10
milionów stopni emituje promieniowanie
rentgenowskie, przy czym niektóre z takich
źródeł zmieniają okresowo swoją jasność
mniej więcej co sekundę. Są to wirujące
gwiazdy neutronowe obdarzone polem
magnetycznym, którego bieguny nie
pokrywają się z biegunami rotacji gwiazdy.
Gaz spada wtedy na bieguny magnetyczne
wzdłuż linii pola magnetycznego, a rotacja
zmienia te obiekty w kręcące się
rentgenowskie "latarnie morskie". Wynika z
tego, że czarne dziury muszą znajdować się
wśród nie pulsujących źródeł
rentgenowskich w układach podwójnych.
KWAZARY I CZARNE DZIURY
•
Być może istnieją także czarne dziury
o zupełnie innym pochodzeniu.
Kwazary znajdują się daleko poza
granicami naszej Galaktyki i są
potężnymi źródłami promieniowania.
Ich jasność może przekraczać jasność
stu dużych galaktyk. Jasność kwazara
może się gwałtownie zmieniać w
czasie krótszym niż rok, a jego
rozmiary nie mogą być więc większe
niż rok świetlny. Nasze instrumenty
rejestrujące światło kwazara mieszają
sygnały o różnej intensywności, w
wyniku czego zmiany jasności całego
kwazara zostają wygładzone, rozmyte
w czasie i tracą swój gwałtowny
charakter. Jedynym kandydatem do
roli "centralnego silnika" w kwazarach
była czarna dziura o masie setek
milionów mas Słońca. Średnica takiej
czarnej dziury wynosi miliard
kilometrów.
JAK DŁUGO "ŻYJĄ" CZARNE
DZIURY
•
Czarne dziury nie są wieczne, gdyż
mogą one wyparowywać w wyniku
procesów kwantowych zachodzących
w silnych polach grawitacyjnych. W
próżni przestrzeń jest wypełniona
nienarodzonymi wirtualnymi cząstkami
i antycząstkami. Jeśli nie jest im
przekazywana żadna energia, nie
mogą się one zamieniać w realne
cząstki. Po skurczeniu się
naładowanego elektrycznie ciała i
powstaniu czarnej dziury pole
elektryczne ulega takiemu
wzmocnieniu, że zaczynają powstawać
pary elektron - pozyton. Kreacja par
przez pole elektryczne jest możliwa
również bez udziału czarnej dziury. W
takim wypadku pole musi jednak
zostać wzmocnione.
TEORIA HAWKINGA
•
W 1974 roku Stephen Hawking
udowodnił, że istnieje proces
kwantowy, dzięki któremu
czarna dziura ze swoim polem
grawitacyjnym może stwarzać
cząstki, co prowadzi do
zmniejszenia jej masy i
rozmiarów. Kiedy powstaje
czarna dziura, wszystkie
procesy na powierzchni
zapadającej się gwiazdy
ulegają spowolnieniu. Pole
grawitacyjne staje się
wszędzie stałe.
•
Nie może ono stwarzać
cząstek, więc podczas
formowania się czarnej dziury
zmienne pole produkuje pewną
liczbę cząstek, ale ich strumień
gwałtownie maleje. Kiedy
promień powierzchni gwiazdy
zbliży się do promienia
grawitacyjnego, powinny ustać
wszystkie procesy. Hawking
wykazał, że takie rozumowanie
jest błędne. Według niego
strumień powstających cząstek
nie zaniknie, lecz będzie
utrzymywał stałą wartość
nawet po powstaniu czarnej
dziury. Wewnątrz czarnej
dziury pole wcale nie ulega
zamrożeniu.
•
Wszystko musi się tam poruszać,
spadać ku środkowi. W warunkach
normalnej próżni cząstki wirtualne
tworzą żyjące przez krótki czas pary
cząstka - antycząstka, które łączą się i
znikają, a w polu grawitacyjnym
czarnej dziury może się zdarzyć, że
jedna z tych cząstek znajdzie się pod
horyzontem, a druga pozostanie na
zewnątrz. Ta ostatnia może oddalić się
w przestrzeń i unieść część energii
czarnej dziury, a więc i jej masy. Mamy
do czynienia z kwantowym
wypromieniowywaniem cząstek
przez czarną dziurę. Jednak
wpadające do czarnej dziury atomy
rozrzedzonego gazu
międzygwiazdowego i fotony
promieniowania wypełniającego
przestrzeń dostarczają dziurze o wiele
więcej energii, niż traci ona w wyniku
wspomnianego promieniowania.
Dlatego czarne dziury nie kurczą się,
lecz rosną.
•
Im większa czarna dziura, tym
niższa jest temperatura
promieniowania. Czarne dziury
powoli kurczą się w przestrzeni
i czasie, przekształcając się w
promieniowanie cieplne.
Najważniejszym wnioskiem
wynikającym z odkrycia
Hawkinga jest odrzucenie
wyobrażenia o wieczności
czarnych dziur. Pewne
problemy związane z
procesem odkrytym przez
Hawkinga nie zostały jeszcze
wyjaśnione. Nie wiemy na
przykład, czy czarna dziura
znika zupełnie, czy też
pozostaje po niej cząstka o
masie równej tzw. masie
Plancka.
Koniec