Szukaj
Polub nas!
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Rating 5.00 (3 Votes)

Czarna dziura jest faktem

(Fot. Wikimedia Commons)Istnienie czarnych dziur w kosmosie przewidywano już w XVIII wieku. Przez dwa następne stulecia obiekty te opisywano przy pomocy modeli matematycznych. Ostatnio naukowcom udało się pozyskać dowody obserwacyjne, które potwierdzają prawdziwość teorii...

Wewnątrz horyzontu zdarzeń

Z definicji czarna dziura jest obiektem astronomicznym, który tak silnie oddziałuje grawitacyjnie na swoje otoczenie, że nawet światło nie może wydostać się z jego powierzchni (tzw. prędkość ucieczki jest większa od prędkości światła). Jej istnienie i własności pojawiły się najpierw na papierze. Twórcą idei, że może istnieć tak masywne ciało, iż nawet światło nie może z niego uciec, jest angielski geolog John Michell, który pisał o tym w roku 1783 w pracy przesłanej do Royal Society (to okres teorii grawitacji Isaaca Newtona).

Stosunkowo dokładnie czarna dziura została opisana przy pomocy modelu matematycznego opartego na ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Według tej ostatniej, w silnym polu grawitacyjnym czas płynie wolniej niż w słabym. W polu tym wszystkie procesy ulegają spowolnieniu (tzw. dylatacja czasu) z punktu widzenia obserwatora, a silne pola grawitacyjne powodują zmianę geometrycznych własności przestrzeni. Oznacza to, że np. suma kątów w trójkącie nie równa się 180 stopni. Czas i przestrzeń tworzą zakrzywiającą się czterowymiarową czasoprzestrzeń, w której ciała poruszają się po torach będących liniami o ekstremalnej (najmniejszej lub największej) długości spośród wszystkich możliwych łuków łączących zadane punkty. Linie takie nazywamy geodezyjnymi. W skrajnych przypadkach oddziaływanie grawitacji może być tak duże, że wszystkie linie geodezyjne wokół danego ciała są liniami zamkniętymi. Żadna z nich nie wychodzi poza pewien ograniczony fragment objętości przestrzeni zwany horyzontem zdarzeń.

Czarna dziura jest obiektem, który znajduje się wewnątrz własnego horyzontu zdarzeń. Z czarnej dziury nie można się wydostać, bo wszystkie drogi ucieczki prowadzą z powrotem do środka. To tak, jakby próbować popłynąć na koniec świata. W drodze zawsze będzie się znajdowało jakieś lądy lub morza, a po długiej wędrówce i tak wróci się do punktu wyjścia. W przypadku czarnej dziury uwięziona jest nie tylko materia, ale i światło, które zawsze porusza się po liniach geodezyjnych. Co więcej, ogromne zakrzywienie czasoprzestrzeni spowalnia upływ czasu. W związku z tym na zewnętrznej powierzchni czarnej dziury zanika upływ czasu. Znaczy to, że gdyby jednego z bliźniaków wysłać w podróż w pobliże czarnej dziury, to po powrocie okazałoby się, że jest młodszy od drugiego.

Ogólna teoria względności przewiduje istnienie we wnętrzu czarnej dziury osobliwości, czyli miejsca gdzie krzywizna czasoprzestrzeni staje się nieskończona, a oddziaływanie grawitacyjne staje się nieskończenie silne − postuluje to m.in. słynny brytyjski astrofizyk Stephen Hawking.

Wiadomo też, że czarne dziury nie są wieczne, mimo iż w ramach fizyki klasycznej żaden rodzaj energii ani materii nie może ich opuścić. Uwzględniając jednak efekty kwantowe, postuluje się istnienie bardzo powolnego parowania czarnych dziur, tzw. promieniowania Hawkinga.

W układzie podwójnym Łabędzia

Czarne dziury są podstawowymi składnikami bardziej złożonych obiektów astronomicznych, takich jak niektóre rentgenowskie układy podwójne (obiekty w takich układach położone są blisko siebie i oddziałują na siebie grawitacyjnie poprzez to, że krążą wokół wspólnego środka masy), rozbłyski gamma* oraz aktywne galaktyki. Czarna dziura będąca składnikiem układu podwójnego jest widoczna, ponieważ materia z drugiej gwiazdy wsysana do wnętrza czarnej dziury tworzy tzw. dysk akrecyjny generujący ogromne ilości promieniowania na skutek tarcia, jonizacji i silnego przyspieszenia podczas zbliżania się do czarnej dziury. Część zjonizowanej materii z dysku pod działaniem pola elektromagnetycznego dysku może uciekać w kierunkach osi, tworząc ogromne dżety. Także masywne czarne dziury w centrach aktywnych galaktyk powodują w nich silnie świecenie, skutkiem opadania otaczającej materii, i dlatego obiekty zawierające czarne dziury należą do najjaśniejszych we Wszechświecie.

(Fot. Wikimedia Commons)W ostatnim czasie obserwacyjne dowody poprawności teorii czarnych dziur dogoniły teorię. Najpierw były to pośrednie dowody pozyskane na podstawie obserwacji sposobu, w jaki odchylają one światło gwiazd. Ostatnio astronomom udało się po raz pierwszy precyzyjnie opisać ten obiekt. Zrobili to dzięki bliższemu zbadaniu jednego z najbardziej tajemniczych układów podwójnych, Cygnusa X-1 (Łabędź X-1). Odkryty w 1964 r. podczas lotu rakiety jest tzw. rentgenowskim układem podwójnym. Liczy 6 milionów lat.

Położony jest w gwiazdozbiorze Łabędzia, oddalonym od Ziemi o 6070 lat świetlnych. Mimo tak wielkiej odległości, stanowi najsilniejsze źródło promieniowania rentgenowskiego, jakie znamy. I właśnie siła tego promieniowania sprawiła, że przyjęto, iż może być ono wyłącznie wynikiem obecności w tymże układzie (poza oczywistym błękitnym nadolbrzymem) obiektu zasysającego materię, który jest bardzo mały i ma ekstremalnie dużą masę, a takimi parametrami może odznaczać się tylko czarna dziura.

Zanim jednak do tego doszło, o to, czy Cygnus X-1 zawiera czarną dziurę czy nie, założyli się w 1974 r. dwaj słynni astrofizycy – wspomniany wcześniej Hawking (twierdził, że tego obiektu nie ma) i Kip Thorne (opowiadał się za istnieniem obiektu). Już w 1990 r. Hawking przyznał rację Thorne’owi.

Ostatnio naukowcy zbadali masę i prędkość obrotu czarnej dziury z Cygnusa X-1 (wiadomo, że jej ładunek elektryczny jest bliski zeru). Było to możliwe dzięki ścisłej współpracy kilku obserwatoriów, w tym teleskopu kosmicznego Chandra, Rossi X-ray Timing Explorer i ASCA. Stwierdzono, że masa czarnej dziury wynosi 15 mas Słońca, a jej prędkość obrotu 800 razy na sekundę. Co ciekawe, badanie układu wskazało, że nie powstała ona, jak to zwykle się dzieje, w wyniku wybuchu supernowej.

Marcin Nowak