Czarne dziury — Przygody w kosmosie Part 3

Dzisiaj na tapetę lądują tajemniczy pożeracze kosmosu i zarazem jedne z największych zagadek dla współczesnej astrofizyki.
 

Według standardowej definicji. Czarna dziura to miejsce w przestrzeni gdzie siły grawitacyjne są tak wielkie, że nawet światło nie może uciec. Dlatego są czarne. Jednak w kosmosie nic nie jest takie jakie się wydaje, a to co wiemy jest jak kropla w morzu. Czarne dziury, ciemna materia i ciemna energia, to pole do popisu dla teoretyków astrofizyki. Pierwszą osobą uwzględniającą istnienie czarnych dziur był A. Einstein  w swej ogólnej teorii względności (1915). Według jego teorii możliwe było istnienie małych obiektów z wielką siła grawitacji. Czyli obiektów powstałych w skutek zapadania grawitacyjnego jakim są czarne dziury, ale i gwiazdy neutronowe. W 1931 fizyk Chandrasekhar  dokonał na podstawie białego karła obliczeń potwierdzających zapadanie się gwiazd. O której wspominałem w wcześniejszym wpisie. Stała ta została nazwana nazwiskiem indyjskiego astrofizyka. Jednak dopiero w latach 60 temat grawitacyjnych potworów zyskał rozgłos wraz z zaobserwowaniem pierwszych pulsarów w 1967. Niedługo potem zaproponowano tez powszechnie używany termin „czarna dziura”

Tyle jako wstęp zapewne nikt nie chce być zanudzany teorią i datami, jednak o ile w przypadku Supernowych  wszystko dało się ładnie wyjaśnić ( zapadająca gwiazda robi wielkie buuum :P ) Tak czarne dziury idą o jeden krok dalej.  Dokładne powstawanie czarnych dziur i ich rola w wszechświecie nie jest do końca poznana, jednak według badań każda większa galaktyka posiada w swoim centrum super masywną czarną dziurę. Nawet nasza droga mleczna.

Ogólnie przyjmuje się, że czarne dziury powstają gdy przekroczona zostaje masa krytyczna obiektu i nie jest w stanie utrzymać on swojego ciężaru w przestrzeni, wiec zapada się w czasoprzestrzeń. Zupełnie jak z supernowymi, jednak z tą różnicą, że gwiazdy neutronowe zostają zmiażdżone, ale nie zapadają się do końca, nie wiadomo dlaczego jedne się zapadają, a drugie nie, jednak jest to uzależnione od masy gwiazdy w oparciu o granicę Tolmana-Oppenheimera-Volkoffa.

Wyróżnia się dwa główne typy czarnych dziur:

1. Gwiezdne czarne dziury czyli takie o masie do kilkunastu mas Słońca

2. Super masywne czarne dziury czyli przekraczające 100 000 mas Słońca

Ogólnie ten podział jest dość ogólnikowy bo nie wiele wyjaśnia.

Czarne dziury o masie gwiazdy powstają, przez zapadanie się wyjątkowo dużych gwiazd o wiele większych niż w przypadku supernowych.  Możliwe jest też powstawanie czarnych dziur gdy gwiazda neutronowa posiada towarzyszące gwiazdy, od których „kradnie” materię, a po przekroczeniu wartości krytycznej zapada się w sobie. Tak samo jest w przypadku kolizji gwiazd neutronowych lub pulsarów, które wytwarzają w momencie kolizji rozbłysk gamma widoczny na odległości miliardów lat świetlnych, by następnie zapaść się pod wspólną masą w czarną dziurę.

Czarne dziury żerują na otaczających je planetach, gwiazdach i gazach. Pochłaniają wszystko co tylko znajdzie się w zasięgu tzw. Horyzontu zdarzeń - jest to granica bez powrotu z której obiekty nie są wstanie w żaden sposób uciec. Jednak wędrowne czarne dziury przeważnie są całkiem małe w kosmicznej skali i to ich większe odpowiedniki czy super masywne czarne dziury są prawdziwymi pożeraczami światów niczym Galactus w komiksach Marvela. Według niektórych osiągnęły tą wielkość przez pochłanianie odpowiedniej ilości materii jak i innych czarnych dziur. Można to zaobserwować przy scalaniu się dwóch galaktyk, które znalazły się w swoim zasięgu grawitacyjnym.  Zderzenie w takim przypadku jest nieuniknione. Prawdopodobne małe czarne dziury mogą się powiększać jednak tylko niektóre mają wystarczająco dużo paliwa inne z braku materii do pochłaniania „wyparowują” według teorii S. Hawkinga.

Czarna dziura Cygnus X-1 była obiektem zakładu w 74' pomiędzy S. Hawkingiem i Kip Thorne'm. W którym Stephen sugerował iż obiekt ten nie jest czarną dziurą w 1990 przyznał się do porażki. 

 

Masywne czarne dziury też mają rożne stadia ewolucji. Obiekt w naszej drodze mlecznej Sagittarius A posiada masę około 3,7 miliona mas Słońca i choć ciągle rośnie jest raczej stabilny, gdyż pochłonął większość materii  w swoim zasięgu. Przeciwnością tych „spokojnych” są gwałtowne kwazary, które tworzą spektakularne dżety energii przez gwałtowne pochłanianie energii. Podczas pochłaniania cząsteczki blisko centrum czarnej dziury są rozpędzane do prędkości bliskiej światłu i uwalniają przez tarcie dżety energetyczne, które nie raz są większe, niż same galaktyki. Kwazary emitują też fale radiowe i dzięki temu były do uchwycenia przez radioteleskopy, choć wytwarzają też dużo promieniowania rentgenowskiego, które możemy obserwować za pomocą kosmicznego teleskopu Chandra.  

Przez fakt pochłaniania światła czarne dziury są bardzo trudne do zaobserwowania. Do wykrywania ich oprócz teleskopu Chandra używa się soczewkowania grawitacyjnego lub oddziaływań grawitacyjnych pomiędzy obiektami, które znalazły się w polu grawitacyjnym czarnej dziury.
 

Tak w skrócie można opisać czarne dziury. Obiekty które do dzisiejszego dnia spędzają sen z powiek niejednego astrofizyka. Dlaczego? Istnienie czarnych dziur rodzi więcej pytań niż odpowiedzi. Według  Einsteina czarne dziury przez swoją wielką siłę grawitacyjną potrafią zaginać i odkształcać czasoprzestrzeń. Im bardziej masywny obiekt tym bardziej zakrzywia przestrzeń w przypadku czarnych dziur, które pochłaniają nawet światło jest to istna zagadka. Wielu spekulowało możliwość podróży w czasie dzięki czarnym dziurom. W czasie badań nad teorią względności (1935) Einstein i N. Rosen teoretycznie udowodnili istnienie tunelu czasoprzestrzennego wykorzystując czarną dziurę.  Tunel ten nazwany został mostem Einsteina-Rosena, lecz obecnie funkcjonuje też termin „wormhole”, czyli porównanie do robaka drążącego tunel w owocu.

Jednak to tylko teoria nikt obecnie nie potrafi jej zbadać czy udowodnić, gdyż nie mamy w zasięgu żadnych czarnych dziur i tak do końca nie wiadomo co się dzieje z materią i informacjami które znikają w czarnych dziurach. Znikają? A może ulegają transportowi za pomocą czarnych dziur w inny rejon kosmosu lub nawet inny wymiar. Teorii jest wiele, jedne bardziej absurdalne od drugich, ale nikt na dziś dzień nie może założyć błędności żadnej z nich, bo nie jesteśmy w stanie zbadać procesów zachodzący w osobliwości czarnej dziury.

Promieniowanie Hawkinga

S. Hawking w 1974 dokonał dokładnego matematycznego obliczenia entropii czarnej dziury i udowodni, że posiadają temperaturę i możliwe jest „parowanie” czarnych dziur przez oddawanie cząstki energii przy jednoczesnym ich pochłanianiu. Jednak działa to tylko w bardzo małej skali, a czas utraty energii masywnych czarnych dziur jest praktycznie nie do obliczenia. Według tej teorii im czarna dziura jest mniejsza tym szybciej paruje.

Zapewne niektórzy słyszeli o wielkim zderzaczu hadronów, który znajduje się w  Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN.

„Wielki Zderzacz Hadronów jest największą maszyną świata. Jego zasadnicze elementy są umieszczone w tunelu w kształcie torusa o długości około 27 km, położonym na głębokości od 50 do 175 m pod ziemią. Wyniki zderzeń rejestrowane są przez dwa duże detektory cząstek elementarnych: ATLAS i CMS, dwa mniejsze ALICE i LHCb oraz trzy małe: TOTEM, LHCf i MoEDAL.” – cytat wiki.

Urządzenie to zderza protony z prędkością 99,99% prędkości światła. Doświadczenia te miały potwierdzić istnieniu cząsteczki widmo według modelu standardowego tzw. bozonu Higgsa, którą udało się zarejestrować, a 13 kwietnia 2013 zespół potwierdził wstępne wyniki badan z 4 lipca 2012.

Dodatkowo zderzać hadronów w teorii potrafi wytworzyć miniaturowe czarne dziury, których istnienie jest ważne dla fizyki kwantowej, a powstają one podczas promieniowania Hawkinga.

Ciekawostki:

- Opinia publiczna nie raz spekulowała, że powstałe czarne dziury mogą zagrażać ziemi :P lub CERN pracuje nad podróżami w czasie hehe

- Naukowcy spekulują, że w samej drodze mlecznej jest od 10 milionów do nawet biliona czarnych dziur gwiezdnej wielkości.

- Jeśli ktoś spadałby na czarną dziurę zostałby rozciągnięty na nitkę przez grawitację i rozerwany na atomy, właściwe to każdy obiekt znajdują się w pobliżu czarnej dziury tak kończy...

Na koniec jak zwykle mała galeria i to chyba na tyle w dzisiejszym odcinku. Jak sobie coś jeszcze przypomnę to uzupełnię wpis. Wszystkie informacje są z sieci jak i z wiki

Zapraszam też to obczajenia poprzednich wpisów. 

Supernowe  i Nasze miejsce w kosmosie

Polecam też odcinek z serii The Universe - Pulsars and Quasars ENG (wtyczka DivX)