Czarna Dziura
Teoria Względności Alberta Einsteina.
Nasza obecna wiedza o ruchu ciał wywodzi się od koncepcji Galileusza i Newtona. Przedtem ludzie wierzyli Arystotelesowi, który twierdził, że naturalnym stanem ciała jest spoczynek i że porusza się on tylko pod wpływem siły pchnięcia. Wynikało stąd, że ciężkie ciała powinny spadać szybciej. Pierwszą osobą, która przeciwstawiła się Arystotelesowskiej fizyce był Galileusz, który mierząc prędkości rożnych ciał toczących się po równi pochyłej stwierdził, że po zaniechaniu oporu powietrza, ciała przyspieszają jednostajnie niezależnie od ich prędkości. Badania Galileusza posłużyły Newtonowi za podstawę jego praw ruchu. Ich niebywałą zaletą była prostota i generalnie pokrywała się z opisem świata postrzeganego przez ludzi. Powstał nawet styl myślenia Newtonowskiego zwany \”mechaniką nieba\”.
W roku 1676 duński astronom Ole Christensen odkrył, że światło porusza się z ogromną, ale skończoną prędkością. Zaobserwował on, że księżyce Jowisza nie chowają się za nim w równych odstępach czasu. W trakcie ruchu Ziemi i Jowisza wokół Słońca zmienia się odległość między nimi. Zauważył on że zaćmienia księżyców są tym bardziej opóźnione im większa jest ich odległość od Ziemi. Pomiar odległości Ziemi i Jowisza którego dokonał nie był zbyt dokładny i obliczona prędkość światła wynosiła 200 tys. km/s (dziś przyjmuje się jej wartość na około 300 tys. km/s). Mimo błędu było to znaczące osiągnięcie.
Poprawną teorię rozchodzenia się światła sformułował dopiero w roku 1865 brytyjski fizyk James Clerk Maxwell, który zdołał połączyć cząstkowe teorie stosowane przedtem do opisu sił elektryczności i magnetyzmu. Z równań Maxwella wynika istnienie falowych zaburzeń pola elektromagnetycznego, które powinny rozprzestrzeniać się ze skończoną prędkością, podobnie jak fale na powierzchni stawu. Teoria Newtona wyeliminowała pojęcie absolutnego spoczynku i podając prędkość światła należało podać względem czego. Wprowadzono zatem pojęcie \”eteru kosmicznego\” obecnego wszędzie – nawet w pustej przestrzeni. Niemniej jednak wynikało z tych założeń, że prędkość światła mierzona względem różnych źródeł (ruchomych lub spoczywających) będzie różna. Wynika z tego że na przykład prędkość światła mierzona w kierunku obrotowym ziemi powinna być większa niż mierzona prostopadle do niego. W roku 1887 Albert Michelson i Edward Morley przeprowadzili powyższy eksperyment bardzo starannie. Ku swojemu wielkiemu zdziwieniu odkryli, że obie prędkości są sobie równe.
Powyższe przekonania przetrwały do początku XX wieku – do czasów Alberta Einsteina. Pracował on nad stworzeniem jednolitej teorii opisującej wszystkie zjawiska zachodzące w przyrodzie. Stworzył on tak zwaną Teorię Względności (najpierw Szczególną Teorię Względności, później Ogólną). Zgodnie ze Szczególną Teorią Względności, odległość mierzymy posługując się pomiarami czasu i prędkością światła. Szczególna Teoria Względności zmusza nas do zmiany koncepcji czasu. Musimy przyjąć, że czas nie jest zupełnie oddzielony od przestrzeni, lecz jest z nią połączony w jedną całość – czasoprzestrzeń. W takim układzie czas jest dodatkową współrzędną.
Z równań Maxwella wynika, że prędkość światła nie zależy od prędkości z jaką porusza się źródło, a sygnał świetlny wyemitowany w pewnej chwili rozprzestrzeni się formując kulę o promieniu zależnym od czasu. Jeżeli pominiemy jeden z wymiarów przestrzennych i umieścimy źródło w układzie współrzędnych (x,y) to będzie to wyglądało jak fale na wodzie. Jeżeli dodamy współrzędną czasową to otrzymamy stożek – świetlny (rysunek 1). Wszystkie zdarzenia z których światło mogło dotrzeć do naszego zdarzenia tworzą drugi symetryczny stożek świetlny – przeszłości. Stożki dzielą zatem czasoprzestrzeń na trzy regiony – absolutna przyszłość zdarzenia P, absolutna przeszłość zdarzenia P i teraźniejszość – zdarzenie P. Absolutna przyszłość to wnętrze stożka przyszłości. Jest to zbiór wszystkich zdarzeń na które P może oddziaływać (rysunek 2). Absolutna przeszłość to zdarzenia wewnątrz stożka przeszłości. Tylko te mogą oddziaływać na nasze zdarzenie. Obszar poza stożkami to tak zwane \”gdzie indziej\”. Te zdarzenia nie mogą wpływać na P, ani P nie może wpływać na nie. Granicę stożków stanowi prędkość światła od której (według Teorii Względności) nic nie może poruszać się szybciej.
Szczególną Teorię Względności z powodzeniem wyjaśnia fakt, że prędkość światła jest taka sama dla różnych obserwatorów, doskonale opisuje zjawiska jakie zachodzą, kiedy ciało porusza się z bardzo dużą prędkością. Jest ona jednak sprzeczna z teorią Newtona, która powiada, że zmiana parametrów jednego ciała oddziaływującego na drugie natychmiast zmienia siłę przyciągania. Oznacza to, że efekty grawitacyjne powinny podróżować z nieskończoną prędkością. Einstein długo starał się znaleźć teorię ciążenia zgodną ze Szczególną Teorią Względności. Ostatecznie w roku 1915 zaproponował nową teorię, zwaną dziś Ogólną Teorią Względności. Rewelacyjność pomysłu Einsteina polega na potraktowaniu grawitacji odmiennie niż innych sił, a mianowicie jako konsekwencję krzywizny czasoprzestrzeni. Czasoprzestrzeń nie jest płaska lecz pofałdowana. Przez rozłożoną w niej energię i masę. Ciała takie jak Ziemia poruszają się po najkrótszej linii tzw. linii geodezyjnej, po zakrzywionej czasoprzestrzeni. Na przykład linia geodezyjna na ziemi to łuk. Pierwszy dowodem na słuszność twierdzeń Einsteina było potwierdzenie jej przy obrocie długiej osi elipsy Merkurego o 1 stopień w ciągu 10000 lat. Zauważono ten efekt kilka lat przed Teorią Względności. Efekt ten choć niezauważalny, był nie do obliczenia ze wzorów Newtona.
Promienie świetlne muszą również poruszać się po liniach geodezyjnych w czasoprzestrzeni. W tym przypadku wydaje nam się, że światło nie porusza się po liniach prostych lecz krzywych. A zatem z OTW wynika, iż promienie światła zaginane są przez pole grawitacyjne. Na przykład stożki świetlne w punktach bliskich Słońca pochylają się ku niemu. Efekt ten widoczny jest dopiero podczas zaćmienia Słońca i została po raz pierwszy potwierdzony w 1919 roku podczas zaćmienia Słońca obserwowanego w Afryce. Teoria Newtona pokrywa się więc z Ogólną Teorią Względności, lecz tylko dla płaskiej czasoprzestrzeni.
Kolejną konsekwencją Ogólnej Teorii Względności jest stwierdzenie, że czas powinien płynąć wolniej w pobliżu dużych mas takich jak np. Ziemia. Wynika to z istnienia związku między energią światła i jego częstością – im większa energia tym większa częstość. W miarę jak światło wędruje w górę w polu grawitacyjnym maleje jego częstość (co oznacza wydłużenie okresu między kolejnymi grzbietami fali). Komuś kto obserwowałby Ziemię z góry wydawałoby się że czas płynie na Ziemi wolniej. Istnienie tego faktu potwierdzono w 1962 roku za pomocą pary bardzo dokładnych zegarów zamontowanych na dole i szczycie wieży ciśnień. Różnica szybkości zegarów ma dzisiaj bardzo duże znaczenie np. przy nawigacji satelitarnej. Gdyby nie uwzględniano Ogólnej Teorii Względności błąd mógłby wynosić kilka mil. Dobrym przykładem dylatacji czasowych jest tak zwany paradoks bliźniąt. Ogólna Teoria Względności zawiera zupełnie inny pogląd na czas i przestrzeń – są one teraz dynamicznymi wielkościami. Poruszające się w niej ciała wpływają na czasoprzestrzeń, która to z kolei wpływa na ich ruch i działanie sił.
Czym jest czarna dziura?
Termin \”czarna dziura\” powstał bardzo niedawno. Wprowadził go w 1969 roku amerykański uczony John Wheeler. Idea czarnych dziur pojawiła się ponad 200 lat wcześniej i jako pierwszy dopuścił ich istnienie w roku 1783 John Michell i prawie jednocześnie Pierre Simone de Laplace. Wykazali oni, że gwiazda o dostatecznie dużej masie i gęstości wytwarzałaby tak silne pole grawitacyjne iż światło nie mogłoby się oddalić. Chociaż nie widzielibyśmy ich światła moglibyśmy je wykryć dzięki ich przyciąganiu grawitacyjnemu. Dla Michell\’a i Laplace\’a czarne dziury były jedynie nie świecącymi gwiazdami. Nie wiedzieli oni, że nic nie może poruszać się szybciej niż światło.
Według teorii Newtona siła przyciągania grawitacyjnego jest wprost proporcjonalna do iloczynu mas obu ciał i odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości.. Wyobraźmy teraz sobie że zmniejszamy promień. Wówczas grawitacja no powierzchni wzrośnie (odległość od środka zmalała). Według teorii Newtona zmniejszenie promienia dwukrotnie zwiększa grawitację czterokrotnie, według Einsteina nawet bardziej. Ma to znaczenie gdy gwiazda zostanie ściśnięta tak bardzo że siła grawitacji stanie się supersilna – wtedy różnica między dwiema teoriami staje się ogromna. Pierwsza zakłada że siła dąży do nieskończoności, gdy promień dąży do zera, druga gdy staje się równy tak zwanemu promieniowi grawitacyjnemu. Wielkość takiego promienia (tzw. promienia grawitacyjnego) określona jest przez masę ciała. Dla Ziemi promień grawitacyjny równy jest 1 cm, dla Słońca 1 km. Dla promienia dużo większego niż promień grawitacyjny różnica między teoriami wynosi miliardową część.
Zgodnie z Teorią Względności światło nie może opuścić powierzchni ciała o promieniu mniejszym od promienia grawitacyjnego. Nie jest to jedyna niezwykłość. Siła grawitacji na powierzchni gwiazdy o promieniu równym promieniowi grawitacyjnemu staje się nieskończona – przyśpieszenie swobodnego spadku staje się nieskończenie wielkie. Zwykłe planety i gwiazdy nie zostają ściśnięte do rozmiaru punktu, ponieważ siły ciśnienia i sprężystości równoważą zapadanie się grawitacyjne. Ciśnienie zależy od stanu materii, czyli im np. bardziej ściśnięta materia tym większe ciśnienie. Gdy rozmiary ciała zbliżają się do promienia grawitacyjnego siła grawitacji wzrasta do nieskończoności i nie może być zrównoważona przez skończone siły. Materia zmuszona do swobodnego spadku na promień grawitacyjny nie może zatrzymać się na powierzchni Schwarzschilda (zewnętrzne pole grawitacyjne wokół promienia grawitacyjnego, nazwane tak na cześć fizyka, który jako pierwszy rozwiązał równania Einsteina)., ponieważ podlegałaby nieskończonym siłom grawitacji. Cokolwiek zatem znajdzie się poniżej promienia grawitacyjnego musi spaść do środka. Wynika to z tak dużego zakrzywienia stożków świetlnych, że ich cały stożek przyszłości znajduje się poniżej promienia grawitacyjnego. Wywołuje to katastroficzne, niepohamowane zapadanie się aż do osobliwości, zwane kolapsem relatywistycznym. Wystarczy zatem ścisnąć ciało do rozmiaru odpowiadającego promieniowi grawitacyjnemu, by dalsze zapadanie następowało samoistnie. Można zrobić to sztucznie np. ściskając górę ważącą miliard ton do rozmiaru jądra atomowego.
Jakie Czarna Dziura ma własności?
Teoria Względności zakłada, że im bliżej lub im większa masa ciała tym czas w jej pobliżu płynie wolniej. W pobliżu czarnej dziury czas płynie bardzo wolno, by wreszcie już na jej horyzoncie zwolnić nieskończenie. Obserwator obserwujący np. kamień spadający na czarną dziurę zauważy hamowanie w jej pobliżu i wreszcie zamarcie przy jej granicy. Tak samo obserwator obserwujący zapadanie się gazu gwiazdy dostrzeże zjawisko po nieskończenie długim czasie. Nie oznacza to jednak kontemplowania tego samego obrazu przez wieczność, ponieważ światło emitowane przez ciało w pobliżu masy czerwienieje (zmniejsza się jego częstość). Obserwując kamień spadający na czarną dziurę widzimy jego obraz coraz bardziej poczerwieniony (przesunięte widmo), by wreszcie \”poczerwienione\” fotony niosące coraz mniej energii dotarły do obserwatora po nieskończenie długim czasie. Połączenie efektu Dopplera i dylatacji czasu powoduje, że obszar zapadającej się gwiazdy w pobliżu sfery Schwarzschilda staje się niewidoczny. Również radar nie jest w stanie wykryć czarnej dziury, ponieważ jego fale odbiją się po nieskończenie długim czasie. Tak więc w praktyce gwiazda nigdy nie skurczy się do rozmiaru punktu, ponieważ w praktyce przestaje się zapadać w momencie osiągnięcia wymiaru promienia grawitacyjnego.
Ciała poruszające się w pobliżu czarnej dziury mają pewne ograniczenia. Gdy promień orbity wynosi mniej niż półtorej promienia Schwarzschilda prędkość ucieczki zrównuje się prędkości światła. W odległości 3 promieni prędkość wynosi prawie połowę prędkości światła. W dużej odległości ruch może odbywać się po paraboli i siła grawitacji tylko odrobinę zakrzywi czasoprzestrzeń. Jeżeli ruch paraboliczny odbywa się w pobliżu podwojonego promienia, nawinie się on jak przędza na motek i zamieni w orbitę kołową. Ciało zostanie schwytane przez czarną dziurę i nigdy się od niej nie. Samo posiadanie wystarczającej prędkości ucieczki nie wystarczy. Potrzebny jest jeszcze odpowiedni tor ruchu tworzący charakterystyczny kąt z kierunkiem ku czarnej dziurze. Im dalej od czarnej dziury tym kąt ten jest mniejszy.
W pobliżu czarnej dziury zachodzi jeszcze jeden ważny proces związany z falami grawitacyjnymi, których istnienie zakłada Teoria Względności. Takie fale według Teorii Względności powinny przypominać fale elektromagnetyczne. W normalnych warunkach ich energia jest bardzo słaba i tak np. ruch planet w Układzie Słonecznym generuje energię grawitacyjną równą mocy około 100 żarówek. Kiedy planety lub gwiazdy w układach podwójnych poruszają się po orbitach kołowych wysyłają fale grawitacyjne, które unoszą energię. Zwykle te straty energii są bardzo małe. Ciała krążące po kołowych orbitach wokół czarnych dziur emitują także fale grawitacyjne. Proces ten trwa do czasu gdy promień orbity zmaleje do trzech promieni grawitacyjnych. Osiągnąwszy tę odległość ciało wykonuje jeszcze kilka obiegów, wypromieniowuje pewną ilość energii i wpada do czarnej dziur. Zwykle natężenie promieniowania grawitacyjnego jest bardzo małe, ale proces trwa bardzo długo (dylatacja czasowa). Suma energii będzie zatem bardzo duża. Suma \”wydalonej\” energii będzie wynosiła około 6 procent masy. Czarne dziury mogły by być zatem źródłem energii.
Dotychczas rozważałam problem czarnych dziur powstałych przez zapadnięcie się idealnie sferycznych gwiazd będących nieruchomymi przed zapadnięciem. Załóżmy że ciało przed zapadnięciem nie było idealnie sferyczne. Czy oznacza to, że pole grawitacyjne też będzie spłaszczone. Otóż udowodniono, że w takim wypadku promień będzie zbyt wielki i nie dojdzie do kolapsu. Rzecz w tym, że kiedy rozmiary ciała zbliżają się do promienia grawitacyjnego, następuje bardzo intensywna emisja fal grawitacyjnych a wobec tego wszelkie odstępstwa od idealnie sferycznego kształtu zostają sprasowane i wypromieniowane. W pierwszych chwilach po powstaniu czarna dziura jest spłaszczona i zdeformowana. Takiego kształtu nie może jednak zbyt długo zachować. Bardzo szybko odzyskuje sferyczny kształt, a zbędne \”detale\” zostają wypromieniowane w postaci fal grawitacyjnych. O charakterze pola decyduje jeden parametr – masa wytwarzającego je ciała. Czarne dziury mogą być różnych rozmiarów, ale w gruncie rzeczy różnią się tylko masą. Natychmiast powstaje pytanie co się dzieje gdy ciało zapadające obdarzone jest ładunkiem elektrycznym (otacza je pole elektryczne). Badanie tego problemu doprowadziło do szalenie ciekawego wniosku. Wszelkie pola fizyczne w momencie kolapsu zostają wypromieniowane, ale pole elektryczne nie zmienia się i nadal otacza czarną dziurę. Zjawisko pola elektrycznego nie ma większego znaczenia wśród obiektów kosmicznych. Wszystkie czarne dziury można opisać tylko dwoma parametrami – masą i ładunkiem elektrycznym. To tak jakby wszystkie kobiety opisać można było tylko wagą i kolorem włosów. Wszystkie pola, które mogą zostać wypromieniowane zostają wypromieniowane, tylko idealnie sferyczne pole grawitacyjne i elektryczne zostają. Czarna dziura ma idealnie sferyczny kształt. Dlatego mówi się, że \”czarne dziury nie mają włosów\”.
Do tej pory zajmowałam się \”statycznymi\” czarnymi dziurami. Co stanie się jednak gdy ciało zapadające się posiadało pewną rotację. Teoria Względności zakłada, że pole grawitacyjne także wiruje. Rotacja nieco spłaszcza czarną dziurę, podobnie jak to ma miejsce w przypadku Ziemi. Rotacja zmienia granicę nieskończonej grawitacji. Staje się ona nieskończona na zewnątrz horyzontu, na powierzchni zwanej ergosferą. Gdy ciało przekroczy powierzchnię ergosfery żadna siła nie jest w stanie go utrzymać. Pole wirowe zmusza je do ruchu względem czarnej dziury. W przeciwieństwie do sfery Schwarzschilda ergosfera nie zmusza do ruchu do wnętrza czarnej dziury, lecz do okrążania jej. Ciało poruszające się wewnątrz ergosfery porusza się za to ze skończoną prędkością i dozwolona jest orbita kołowa. W statycznej czarnej dziurze orbita kołowa jest praktycznie niemożliwa ze względu na swoją niestabilność. Rotacja czarnej dziury zmienia więc zasadniczo jej cechy. Czarna dziura nie może jednak obracać się zbyt szybko. Rzecz w tym, że gdyby ciało poruszałoby się ze zbyt dużą prędkością nie powstałaby czarna dziura, ponieważ podczas kolapsu siły przypływowe zmieniły by ciało w \”naleśnik\” i jak wcześniej powiedziałam nie powstanie czarna dziura. I tu kolejna ciekawostka – ciało poruszające się po orbicie kołowej wokół czarnej dziury, która wiruje z maksymalną dozwoloną prędkością emituje w postaci fal grawitacyjnych 7 razy więcej energii niż zwykle.
Uwolnienie z rotującej czarnej dziury w przeciwieństwie do statycznej jest możliwe. Jeżeli np. pilot fikcyjnej rakiety w bezpośrednim sąsiedztwie czarnej dziury włączy silniki, wyrzucone zostaną gazy odrzutowe. Można je tak nakierować by wpadały do czarnej dziury. Wówczas rakieta ulegnie przyśpieszeniu i zostanie wyrzucona z ergosfery z ogromną prędkością – dużo większą niż uzyskałaby z pracy silników. Silnik rakiety przemieścił ją na nową orbitę, skąd porwał ją wir grawitacyjny i wyrzucił z ogromną prędkość. Energia uniesiona przez rakietę pochodzi z wiru, czyli energii rotacyjnej czarnej dziury. W rezultacie obroty czarnej dziury zostają spowolnione. Właściwość tę przewidział angielski fizyk Roger Penrose. Mimo, że energia rotacyjna zmniejsza się, rozmiarów horyzontu nie można zmniejszyć. Udowodniono, że w żaden sposób nie da się tego zrobić. Jeśli kilka dziur oddziałuje ze sobą, suma powierzchni ich horyzontów nie może zmaleć w wyniku tego oddziaływania. Czarna dziura jest czymś w rodzaju przepaści bez dna. Są wiecznie powiększającymi się grawitacyjnymi otchłaniami.
Możliwe jest zatem by natężenie fal padających na obracającą się czarną dziurę było niższe od natężenia fal rozproszonych przez czarną dziurę. W tym wypadku częstość fal elektromagnetycznych padających musi być niższa od częstości jej obrotów. Zjawisko takie odkrył profesor Jakow Zeledowicz i nazwano je nadpromienistością. Wzmocnienie fal w oddziaływaniu z czarną dziurą jest raczej skromne i wynosi 4,4%. Niemniej jednak możliwa jest sytuacja zamkniętego obiegu i w efekcie lawinowego wzmocnienia co mogłoby doprowadzić do ogromnego wzmocnienia.
Co stanie się z człowiekiem, który wpadłby do czarnej dziury? Czarna dziura rozerwie go na strzępy. Możliwy czas \”życia\” w czarnej dziurze równy jest czasowi jaki potrzebuje światło by przemierzyć średnicę czarnej dziury. Nie trwa to długo, zważywszy rozmiary czarnej dziury. Rozerwanie następuje na skutek tzw. sił przypływowych – różnica siły działającej na głowę i stopy człowieka (lub innego ciała) jest nieskończona i w efekcie rozrywa go na strzępy w czasie części stutysięcznych sekundy.
W roku 1974 Stephen Hawking dokonał sensacyjnego odkrycia. Odkrycia, które może przyczyniło się znacząco do zrozumienia świata. Udowodnił on, że istnieje proces dzięki któremu czarna dziura może prowadzić do tworzenia cząstek co prowadzi do zmniejszenia masy i rozmiarów czarnej dziury. Na pierwszy rzut oka jest to niemożliwe. Rzecz w tym, że na zewnątrz czarnej dziury pole nie może być zamrożone, ponieważ ciała muszą spadać na czarną dziurę. Otóż próżnia tak naprawdę nie jest pusta. W każdym punkcie przestrzeni, co chwila powstają tak zwane cząstki wirtualne. Jest to para identycznej cząstki i antycząstki. Ich suma energii równa jest zero. Może się tak zdarzyć, że jedna z nich powstanie za horyzontem, druga przed. Pierwsza w efekcie zostanie pochłonięta a druga np. znajdująca się w ergosferze zostanie wyrzucona. Mamy więc do czynienia z kwantowym wypromieniowywaniem energii. Z obliczeń Hawkinga wynika, że dziura zachowuje się jak zwykłe ciało promieniujące w bardzo niskiej temperaturze np. czarna dziura o masie Słońca ma temperaturę 1/10 milionowej stopnia. Tak niskie promieniowanie praktycznie nie obniża energii czarnej dziury. Czarna dziura zyskuje więcej energii w wyniku \”połykania\” międzygwiezdnego pyłu i gazu. Kiedy zmniejsza się masa czarnej dziury, jej temperatura wzrasta i proces parowania ulega przyśpieszeniu. Temperatura czarnej dziury o masie 1000 ton wynosi 1017. Parowanie zmieni się w eksplozję. Przeciętna \”gwiazdowa\” czarna dziura wyparuje po 1066 lat. Czarna dziura stwarza nie tylko fotony, ale i inne cząstki. Im mniejsza masa tym cięższe cząstki czarna dziura może emitować. Czarna dziura o masie typowej gwiazdy produkuje neutrina (81%), fotony (17%) i grawitony (2%).
Reasumując nic nie może być prostsze niż czarna dziura. Jej cechy w momencie kolapsu ograniczają się tylko do masy i ewentualnie pola elektrycznego i rotacji .Wszystkie inne cechy są zatracane i znikają w momencie kolapsu. Dla obserwatora nie mają one żadnego znaczenia. Badanie czarnej dziury rozszerza naszą wiedzę na temat czasu i przestrzeni. Ludzka wyobraźnia nie może objąć efektów zachodzących we wnętrzu czarnej dziury. Jest ona zatem mimo swej prostoty bardzo
skomplikowana.
Jak powstaje? Jak je znaleźć?
Jak już wcześniej powiedziałam, ciśnienie gazów kompensuje grawitacyjne zapadanie się gwiazdy. W miarę upływu czasu zapas paliwa jądrowego w gwieździe wyczerpuje się. Długość życia gwiazdy zależy od szybkości spalania paliwa. Im większa gwiazda tym więcej paliwa mysi zużywać by utrzymać się przy życiu i tym szybciej paliwo się kończy. Gwiazdy o masie zbliżonej do Słońca żyją około 10 miliardów lat. Dla przykładu gwiazda o masie 3 razy większej od Słońca istnieje przez miliard lat., 10 razy – 100 milionów lat. Gdy kończy się paliwo gwiazda dalej wypromieniowuje paliwo i stopniowo się kurczy. Jeśli masa gwiazdy nie przekracza 1,2 masy Słońca to kurczenie ustaje gdy jej promień zmniejszy się do kilku tysięcy kilometrów. Gęstość materii sięga wtedy 1019g/cm3. Takie gwiazdy nazywamy białymi karłami. Taka gwiazda może dalej świecić aż wystygnie nawet całkowicie.
Jeśli masa gwiazdy przekracza 1,2 masy Słońca to reakcje energochłonne reakcje jądrowe zachodzące podczas kurczenia się spowodują jej całkowite zapadnięcie się. Obserwuje się wtedy eksplozję supernowej (rysunek obok). Jeżeli masa gwiazdy nie przekracza dwóch mas słońca to oddziaływanie kwantowe powstrzymuje dalsze kurczenie się gwiazdy. Jej gęstość wynosi 1014-1015 g/cm3. Jest to gęstość jądra atomowego. Taką gwiazdę nazywamy neutronową. Rozmiar gwiazdy neutronowej nie przekracza 10 km. Ich istnienie było długo kwestionowane, ale ostatnie badania pulsarów potwierdziły, że są to
Obzdy neutronowe. rkę liczenia wykazują jednak, że po wypaleniu paliwa jądrowego, skurczeniu się i odrzuceniu otoczki masa gwiazdy przekracza wartość krytyczną (około 2 masy Słońca), nic nie jest w stanie powstrzymać gwiazdy od zapadnięcia się (nawet ogromne ciśnienie wewnętrzne). Czarne dziury powstają zatem nieuchronnie gdy gwiazdy o dużej masie kończą swoją ewolucję.
Jak szukać czarnych dziur? Znalezienie czarnej dziury jest bardzo trudne z uwagi na absolutnie czarny charakter, małe rozmiary i brak emisji znaczących ilości energii. Jednak gaz spadający na czarnej dziurze nie może spadać po linii prostej, ale zawsze po spirali. Oddziaływanie między spiralami gazu podnosi jego temperaturę do 10 milionów stopni. Gaz podgrzany do takiej temperatury emituje promieniowanie rentgenowskie. Aby obserwować takie źródła trzeba wynieść ponad atmosferę specjalne teleskopy. Po dokładniejszych badaniach stwierdzono, że czarne dziury muszą znajdować się wśród nie pulsujących źródeł rentgenowskich w układach podwójnych. Pole grawitacyjne potrzebne do podgrzania gazu do takiej temperatury przy której świeci on rentgenowsko musi być bardzo silne. Wiemy, że najważniejsza jest masa. Jeśli masa \”martwej\” gwiazdy przekracza 2 masy Słońca to musi to być czarna dziura.
Najbardziej wiarygodnym obiektem do tej pory okazało się źródło w gwiazdozbiorze Łabędzia nazwane Cygnus X-1. Źródło tego układu to gwiazda około 20 razy masywniejsza od Słońca. Promieniowanie rentgenowskie pochodzi z \”martwej\” gwiazdy o około 10 razy cięższej niż Słońce. Wiele badań określa prawdopodobieństwo istnienia tam czarnej dziury na 95%. W układzie tym obiekty obracają się dookoła co 5,6 dnia. Czarna dziura ściąga gaz z atmosfery gwiazdy olbrzyma. Temperatura gazu w zewnętrznych częściach dysku wynosi kilkadziesiąt tysięcy stopni, podczas gdy w wewnętrznych ponad 10 milionów stopni. Całkowita jasność rentgenowska przekracza kilka tysięcy razy jasność Słońca (we wszystkich zakresach widma). Wewnętrzny dysk ma średnicę około 200 km, czarna dziura 30 km. Całe źródło znajduje się około 6 tys. lat świetlnych od Ziemi. Odkryto je w 1971 roku. Od tamtej pory znaleziono ponad 20 podobnych źródeł. Do tej pory jednak jesteśmy ostrożni z mówieniem o Czarnych Dziurach, ponieważ są one zupełnie inne niż rzeczywistość, która nas otacza.
