3 dział – ciała niebieskie – 2.3 czarna dziura:

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:

·         Czarne dziury gwiazdowe:

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).

·         Supermasywne czarne dziury:

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.

·         Miniaturowe czarne dziury:

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.

Czy czarne dziury faktycznie są czarne?

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.

„Taniec śmierci” czarnych dziur:

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.

Soczewkowanie grawitacyjne:

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.

·         Tunele czasoprzestrzenne:

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.

·         Wszechświaty:

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 :)