To jest jeden z najbardziej lubianych tematów i najbardziej
fascynujący obiekt. Jest tez bardzo tajemniczy. Na chyba żaden obiekt nie
powstało więcej teorii, pomysłów niż na czarne dziury. Na pewno większość wie o
tym, że one pochłaniają wszystko, nawet światło! Jednak to nie do końca jest
prawda. Czarna dziura pochłania wszystko co znajdzie się za jej horyzontem
zdarzeń. A nie wszystko co zbliży się do niej przekroczy tą granicę. Zapraszam
serdecznie na treść postu o najbardziej niesamowitych obiektach we wszechświecie
– czarnych dziurach :)
Budowa czarnej dziury:
Czarne dziury to obiekty o najsilniejszej grawitacji we
wszechświecie. Składają się ze środka zwanego osobliwością. Nazwa taka dlatego,
że nie wiemy czym ona jest. Zakłada się że to pkt do którego zmierzają
wszystkie obiekty wpadnięte w nią. Wokół niego roztacza się granica po
przekroczeniu której nic, nawet światło nie wydostanie się spowrotem. Nazywa
się to horyzontem zdarzeń.
Typy czarnych dziur:
Można wyróżnić 3 typy czarnych dziur. Będą to najsłynniejsze
czarne dziury gwiazdowe powstałe po śmierci masywnych gwiazd, supermasywne
czarne dziury, których masy liczy się w mln lub mld mas Słońca oraz też
miniaturowe czarne dziury (choć co do nich nie jest pewne że faktycznie
istnieją). Opisze teraz pod spodem po kolei każdy z tych podtypów:
Duże gwiazdy są nazywane czasem błękitnymi karłami (choć to pojęcie jest
często mylące, gdyż tej nazwy używa się też do hipotetycznych gwiazd, które
miały by powstać pod koniec życia czerwonych karłów). Są nawet setki razy
masywniejsze od Słońca.
Gwiazdy czerpią energię z fuzji jądrowej. Korzystają przy tym z „sił
jądrowych” dążących do rozerwania gwiazdy. Jednak mają też siłę grawitacji,
która dąży do zmiażdżenia gwiazdy. Przez okres fuzji te 2 siły się równoważą i
gwiazda jest stabilna. Jednak potem kończy się paliwo i gwiazda musi umrzeć.
Zewnętrzne warstwy odlatują w kosmos, a jądro zapada się albo do gwiazdy
neutronowej albo do czarnej dziury. Zależy to od masy gwiazdy. Te większe kończą
jako czarne dziury.
Są one bardzo masywne, jednak bardzo małe. Gdyby Ziemia miała stać się
czarną dziurą to przy masie i rozmiarze jaki ma teraz musiała by się ścisnąć
(co oczywiście jest niemożliwe) do rozmiarów małej piłeczki, która zmieściła by
się na dłoni (i to wcale nie za dużej)! A nasza planeta ma prawie 6
kwadrylionów kg (1 kwadrylion to 1 i 24 zera). Są zdolne do pochłaniania.
Potrafią wchłonąć całe gwiazdy i ich układy. Gdyby do Ziemi się zbliżała taka
czarna dziura na już na co najmniej tysiące lat byśmy to zauważyli. Ma tak
silną grawitację, że zmieniły by się pływy, które powstają w skutek grawitacji
Księżyca! A księżyc jest dość blisko Ziemi – ok 400 000 km (dla porównania
odległość Ziemi od Słońca to 150 mln km).
W centrach galaktyk występują obiekty mające ogromne masy. Liczone one są
w milionach bądź miliardach mas Słońca. Wielkości ich są też ogromne. Są
podobne do wielkości Układu Słonecznego, a te największe potrafią być nawet
kilkadziesiąt razy większe! Ich grawitacja jest ogromna. To wokół nich krążą
gwiazdy w galaktyce. Mowa tu oczywiście o supermasywnych czarnych dziurach.
Jednak to nie one utrzymują galaktyki w całości. Za to odpowiedzialna jest
ciemna materia (o której tez oczywiście napisze w innym poście). Nasz Układ
Słoneczny także krąży wokół jednej z takich dziur. Potrzebuje na to 200 mln
lat. Nazywane jest to rokiem galaktycznym. Obiekt ten znajduje się w
gwiazdozbiorze strzelca a położony jest w centrum naszej galaktyki (Drogi
Mlecznej). Nazywa się Sagitarius A*. ma masę 4 mln Słońc. Jednak to bardzo mało
w porównaniu z największym olbrzymem tego typu. Niepozorna galaktyka o nazwie
NGC 1277 skrywa w sobie największą jak dotąd odkrytą czarną dziurę. Ma masę 17
mld mas Słońca. Stanowi aż 10% masy całej galaktyki w której się znajduje
(zazwyczaj supermasywne czarne dziury stanowią ok 1% masy galaktyki). Zmieściło
by się w niej kilkadziesiąt Układów Słonecznych!
Takie obiekty czasem pochłaniają gwiazdy. Gwiazdy te mogą występować w
układach podwójnych (razem z inną okrążają wspólny środek masy dla tych 2
gwiazd). Gdy supermasywna czarna dziura ma „pożreć” taki układ, to jedną
gwiazdę rozciąga i zaczyna pochłaniać, a drugą rozpędza do prędkości milionów
km/h. Przy takiej prędkości gwiazda może uciec z galaktyki. Jest tez inna
możliwość by gwiazda mogła opuścić galaktykę. Jeśli zostanie przyśpieszona
przez wybuch nieodległej supernowej także dostanie dużą prędkość ale już
znacznie mniejszą od tej do której została by przyśpieszona przez czarną
dziurę.
Czarne dziury zazwyczaj kojarzą się z wszechświatem. Raczej na Ziemi się
nie znajdują. Ale czy na pewno? Mogą istnieć tzw. miniaturowe czarne dziury,
które miały by wielkość cząstek. Były by tak małe że na skutek parowania
natychmiast by znikły. W ośrodku CERN planuje się je wytworzyć. Jak na razie
nie potwierdzono by powstały. Niektórzy obawiają się że czarna dziura nawet
mała jak zacznie już coś pochłaniać to nic by jej nie zatrzymało. Nie ma się
czego obawiać. Są one tak małe, że żyją tak bardzo krótko, że niemożliwe jest
by cokolwiek się do nich zbliżyło. Poza tym jeśli one faktycznie istnieją to
już promieniowanie kosmiczne od dawna je wytwarza w górnych warstwach
atmosfery, gdzie promieniowanie kosmiczne napotyka cząstki powietrza. Gdyby one
coś pochłonęły już by nas tu nie było. A przecież jesteśmy. Są to więc bardzo
ciekawe obiekty. Pochłonęły by wszystko, ale tego nie robią. Żyją za krótko.
Czarnych
dziur nie jesteśmy w stanie dostrzec. Spowodowane jest to tym, że nie odbijają
ani nie emitują światła. Porusza się dla jej grawitacji za wolno. Prędkość
ucieczki jest dla nich większa od prędkości światła, a przekraczania tej
wartości zabrania teoria względności Einsteina. Tylko fotony – cząstki światła
– mogą się poruszać z tą szybkością. Wszystko inne jest wolniejsze. Jednak
możliwe jest żeby czarne dziury „emitowały” tzw. promieniowanie Hawkinga. Jak
na razie nie jest ona potwierdzona. Wg jego teorii czarne dziury parują. Z
zasad mechaniki kwantowej możliwe jest by powstawały z niczego i anihilowały ze
sobą para cząstki i anty-cząstki. Jeśli było by to na granicy horyzontu zdarzeń
jedna o ujemnej energii mogłaby zostać wchłonięta przez czarna dziurą, a druga
powstała za horyzontem zdarzeń mogła by odlecieć w kosmos. Przy tym czarna
dziura traciła by niewielką część masy. Jeżeli strata materii nie była by
równoważona przez wpadającą do niej materię promieniowanie mogła by stawać się
coraz silniejsze i doprowadzić do całkowitego wyparowania czarnej dziury.
Jednak taki efekt byłby szybki tylko dla czarnych dziur znacznie mniejszych niż
te gwiazdowe. Nie wiadomo dokładnie jakie cząstki promieniowania miał na myśli.
Jak to wynika ze streszczenia jego artykułu miały by to być fotony i neutrina,
nie inne cząstki elementarne. Jak na razie tego efektu nie zaobserwowano i
pozostaje jak na razie jako teoria. Jeśli jednak tak jest naprawdę to czarne
dziury nie są takie czarne, lecz „żarzą się” nikłym promieniowaniem. Jest to
jednak bardzo trudne nwm na ile mi się udało to opisać by każdy zrozumiał.
Czarne
dziury, podobnie jak inne obiekty mogą się do siebie zbliżać i nawet zderzać. 2
czarne dziury wpierw zbliżają się do siebie i obracają coraz szybciej. Im są
bliżej siebie tym coraz szybciej się okrążają. W końcu dochodzi do połączenia
się tych 2 obiektów (towarzyszy temu coś w rodzaju eksplozji z biegunów czarnej
dziury, takie 2 dzety energii). Są tak bardzo masywne że dosłownie skręcają
czasoprzestrzeń. Zderzenia tych 3 obiektów są dość podobne. 3 czarne dziury
zbliżają się do siebie. Jak będą już dość blisko 2 największe wystrzeliwują
najmniejszą w kosmos z ogromną prędkością a same zbliżają się i zderzają tak
jak to robią 2 czarne dziury.
Czarne
dziury maja bardzo duże masy i bardzo silną grawitację. Wydawać by się mogło,
że pochłoną wszystko ale tak nie jest. Jak byśmy wiedzieli o gwieździe która
jest za czarną dziurą i emitowałaby ona światło. Widzielibyśmy to światło, ale
lekko zniekształcone, tak jak przez soczewkę. Bardzo silna grawitacja może
zniekształcić tor lotu fotonów (cząstek światła), które potem powraca do
pierwotnej linii. Obraz taki wygląda jakby był oglądany przez soczewkę. Z tego
pochodzi nazwa zjawiska soczewkowanie grawitacyjne. To dotyczy wszystkich
bardzo masywnych obiektów takich jak czarne dziury. Dzięki temu można było
potwierdzić coś w stylu ciemnej materii.
Czy
dzięki czarnym dziurom będziemy mogli odbyć podróż w przyszłość?
Czarne
dziury zniekształcają czasoprzestrzeń. Teoria względności mówi o tym, że bardzo
silna grawitacja spowalnia upływ czasu. A żaden obiekt wszechświata nie ma
silniejszej grawitacji od czarnej dziury. Jakbyśmy mogli polecieć rakietą w
pobliże czarnej dziury na bezpieczną odległość to w jej pobliżu byśmy odczuli,
że lecimy coraz wolniej. W pewnym momencie (najbliżej czarnej dziury)
zatrzymalibyśmy się na chwilę. Potem zaczęlibyśmy coraz szybciej lecieć i po
powrocie zauważylibyśmy, że minęło bardzo wiele lat. Setki czy tysiące. Tak
bardzo silna grawitacja tak bardzo spowalnia upływ czasu.
Czym
są czarne dziury?
Czarne
dziury to tajemnicze ciała niebieskie. Wiele ludzi widzi w nich wiele różnych
obiektów. Na ten temat powstało chyba najwięcej teorii i przypuszczeń.
Zdecyduje się opisać kilka z nich.
Potwory:
Czarne
dziury pochłaniają wszystko (co znajdzie się za ich horyzontem zdarzeń). Więc
wielu z nich widziało w nich potwory, które kiedyś pożrą Ziemię. To możliwe
jest, ale gdyby tak miało być na co najmniej tysiące lat byśmy już o tym
wiedzieli. Pływy by się zmieniły. To nie jest bardzo trudne wręcz przeciwnie.
Są to więc żarłoczne obiekty, które pochłoną wszystko co znajdzie się zbyt
blisko nich.
W centrum
czarnej dziury znajduje się osobliwość. Nie wiadomo czym ona jest, więc wielu
mogło przyjść na myśl, że mogą tam się znajdować tunele czasoprzestrzenne
łączące nasz wszechświat z innymi. Jednak co do tego to nie wiadomo czy byśmy
mogli z niego skorzystać. Siła grawitacji czarnej dziury jest tak wielka, że
różnica przyciągania między częścią bliższą a dalszą była by tak duża że
wszystko zaczęło by się rozciągać jak makaron. Nie było by to zbyt przyjemne i
raczej bardzo bolesne. Raczej czarne dziury nie umożliwią nam odbywania bardzo
dalekich podróży.
Czarna
dziura może być wszechświatem. Spójrzmy na nasz wszechświat. Nie możemy go
opuścić podobnie jak nie da się opuścić czarnej dziury po przekroczeniu
horyzontu zdarzeń (jeżeli chodzi o promieniowanie to ono powstawało by z
cząstek, które pojawiły się za horyzontem zdarzeń). Nie wiemy co jest w centrum
czarnej dziury, ale granice naszego wszechświata bardzo przypominają horyzont
zdarzeń czarnej dziury. Być może materia wpadnięta do czarnej dziury wpada
głębiej i ląduje po drugiej stronie czyli białej dziurze, która byłaby
odwrotnością czarnej dziury. Potem nastąpiło by wielkie „wyplucie” materii coś podobnego do inflacji kosmologicznej zasugerowanej przez Alana Gutha. Potem
siła nie była by już tak wielka i materia rozszerzała by się wolniej. To bardzo
przypomina historię naszego wszechświata. Wpierw mogła zdarzyć się inflacja
czyli bardzo gwałtowne rozszerzenie się wszechświata w pierwszych chwilach jego
istnienia. Potem zacząłby się rozszerzać wolniej, ale cały czas by to robił. To
wyjaśniałoby też co się dzieje z materią wpadniętą do czarnej dziury, nie może
ona zniknąć, bo to złamało by zasadę zachowania energii. Energia (materia to
jej „druga forma”) nie może ani się pojawić z znikąd ani też nie może zniknąć.
Bilans całkowity zawsze musi być taki sam. Tak więc materia wpadnięta do
czarnej dziury lądowałaby po drugiej str. białej dziury, gdzie powstałby nowy
wszechświat. Jednak takie coś jest niemal nie do potwierdzenia.
dziękuję za przeczytanie, zapraszam na następne posty, pozdrawiam :)