Czarne dziury.pdf

(79 KB) Pobierz
10440638 UNPDF
Czarne dziury
Aby wydostać się z pola grawitacyjnego
planety lub innego obiektu
astronomicznego i uciec w kosmos, ciało
musi rozpędzić się do dużej prędkości
zwanej prędkością ucieczki. Dla ciał
znajdujących się na Ziemi wynosi ona
11.2 km/s. Prędkość ta zależy od
rozmiarów i masy obiektu, który ciało
chce opuścić. Jeśli nie zmieniając masy
obiektu astronomicznego będziemy
zmniejszać promień to prędkość ucieczki
rośnie. Dla odpowiednio małego
promienia prędkość ucieczki jest równa
prędkości światła. Oznacza to, że żadne
ciało, nawet światło nie opuści
powierzchni tego obiektu. Taki obiekt
nazywamy czarną dziurą. Promień
graniczny nazywamy promieniem
Schwarzschilda lub promieniem
grawitacyjnym ciała. Aby Ziemia stała się
czarną dziurą jej promień powinien być mniejszy od 1cm, zaś Słońce promień mniejszy od 2,95
km. Okazuje się, że jeśli gwiazda zmniejszy swoje rozmiary poniżej promienia grawitacyjnego, to
procesu kurczenia zatrzymać już nie można. Wszystkie sygnały, nawet sygnały świetlne są
przyciągane przez silne pole grawitacyjne i zamiast się oddalać zbiegają się do centrum.
Powierzchnia ograniczona promieniem Schwarzschilda odgrywa rolę błony półprzepuszczalnej
błony, przez którą cząstki i sygnały niosące informacje mogą przenikać do środka, ale nie mogą
wydostawać się przez nią na zewnątrz. Taką powierzchnię nazywamy horyzontem. Obserwowane
obiekty nie są sferycznie symetryczne, przeważnie obracają się i mają, czasami nawet silne pola
magnetyczne.
Naukowcy sądzą, że zgodnie z ogólną teorią względności, wewnątrz czarnej dziury musi istnieć
osobliwość, to znaczy punkt, gdzie gęstość materii i
krzywizna czasoprzestrzeni są nieskończone. W
nowych teoriach Wszechświata mówi się, że jest to
droga do innych światów.
Czarne dziury z założenia nie mogą świecić, jednak
manifestują swoją obecność niezwykle silnym
przyciąganiem grawitacyjnym; tak silnym, że mogą
zmusić światło do poruszania się wokół nich po
okręgu. Czarne dziury mogą także obracać się (np.
wtedy, gdy są rozkręcane przez opadający na nie,
wirujący gaz). Sprawiają wówczas, że w ich
najbliższym otoczeniu zaczyna wirować sama
przestrzeń (a właściwie czasoprzestrzeń).
Często mówimy "czarna dziura świeci". W
rzeczywistości świeci nie sama czarna dziura, lecz
opadająca na nią materia; plazma zaś wypływa nie z
czarnej dziury, lecz z jej bliskiego otoczenia.
Substancją pożeraną przez czarną dziurę może być
obłok pyłowo gazowy, materia z innej gwiazdy (taki
obiekt nazywamy mikrokwazarem ) znajdującej się
w pobliżu, lub w przypadku olbrzymich dziur materia
galaktyczna. Energia promieniowania i wypływów z
czarnej dziury jest tylko energią wtórną. Energią
pierwotną dla wszystkich rodzajów aktywności
czarnych dziur jest energia potencjalna materii
opadającej w polu grawitacyjnym. Innymi słowy -
coś musi wpaść do czarnej dziury, żeby coś mogło
się z jej pobliża wydostać.
Supernowa 1987A (SN1987A)
zaobserwowana w pobliskiej galaktyce,
znanej jako Wielki Obłok Magellana.
Wytworzona podczas wybuchu gwiazda
neutronowa lub czarna dziura są jednak
nadal ukryte w gęstym i
nieprzezroczystym wnętrzu otoczki
supernowej.
Wizja artystyczna czarnej dziury z polem
magnetycznym otoczona wirującym dyskiem materii.
10440638.003.png 10440638.004.png 10440638.005.png
Jeśli czarne dziury są nieaktywne to nie możemy ich
obserwować. Zaliczamy je do tak zwanej ciemnej
materii . Ostatnio opracowano nową metodę
wykrywania ciemnej materii - soczewkowanie
grawitacyjne .
Najbardziej rozpowszechnione we Wszechświecie są
dwa rodzaje czarnych dziur: małe o masie wynoszącej
kilka mas Słońca i potężnych o masie milionów mas
Słońca. Dopiero w 2000 roku odkryto czarną dziurę
średnich rozmiarów.
Teoria przewiduje, że czarne dziury o masie kilku mas
Słońca mogą tworzyć się na końcowych etapach
ewolucji gwiazd o masach większych od dziesięciu mas
Słońca zwanych czerwonymi nadolbrzymami w
wyniku wybuchu tzw. gwiazdy supernowej .
Czarne dziury o masach milionów mas Słońca
znajdują się w centrach niektórych galaktyk (czy
wszystkich tego nie wiemy). Wiemy jedynie, że
występują dość powszechnie i że jedna z takich dziur
tkwi w centrum naszej Galaktyki . Dalekie aktywne galaktyki nazywamy kwazarami . Nie wiemy
również, w jaki sposób powstają. Są dwie hipotezy. Pierwsza zakłada, że najpierw powstały
galaktyki, a później w wyniku wybuchu supernowej powstała duża czarna dziura, która się
rozszerzała, pochłaniając otaczającą materię.
Druga przyjmuje, że najpierw powstały czarne dziury w w epoce rekombinacji. Wyobraźmy sobie
zatem jedną z hipotetycznych czarnych dziur powstałych kilkanaście miliardów lat temu w (lub tuż
po) epoce rekombinacji. Znajdująca się w jej otoczeniu materia opada na nią pod wpływem sił
grawitacyjnych i (co najmniej częściowo) wpada do jej środka. Masa czarnej dziury rośnie, ale
wzrost ten nie może przebiegać zbyt gwałtownie. Jak już wiemy, opadająca materia jest źródłem
bardzo silnego promieniowania. Jego ciśnienie uniemożliwia zbyt szybki napływ gazu. Dzięki temu
spora część materii może gromadzić się wokół czarnej dziury, tworząc zalążek galaktyki (tzw.
protogalaktykę). Gdy czarna dziura pochłonie
materię znajdującą się w jej pobliżu,
przechodzi w stan uśpienia - tak jak ta w
naszej Galaktyce. Jest już wówczas otoczona
zgrubieniem centralnym, w którym znajdują
się mniej masywne (i dłużej żyjące) gwiazdy
powstałe w pierwotnym dysku gazowym.
Dalsza ewolucja galaktyki jest przede
wszystkim wynikiem ewolucji gwiazd -
powstawania i starzenia się kolejnych ich
pokoleń.
Rekordzistami w intensywności
promieniowania są kwazary , czyli galaktyki,
których czarne dziury mają masy rzędu
miliardów mas Słońca. Do czarnej dziury w
kwazarze wpada obfity strumień gazu, który
nagrzewa się przy tym i świeci tak silnie, że
widać go aż z krańców Wszechświata (gdy
strumień wyczerpuje się, kwazar oczywiście
gaśnie). Tak wielkie czarne dziury występują
jednak rzadko: zaledwie w jednej galaktyce na
milion.
Małe czarne dziury (o masie kilku mas Słońca)
wysyłające tzw. dżety ze względu na
podobieństwo do kwazarów nazywamy
mikrokwazarami .
W 2000 roku w aktywnym gwiazdotwórczo obszarze galaktyki M82 odkryto pierwszą czarną dziurę
o masie kilkuset mas Słońca . Dotychczas znajdowano wyłącznie dziury o masach zaledwie paru
mas Słońca lub paru milionów mas Słońca. Na razie nie wiadomo, niestety, skąd biorą się dziury
średniomasywne. Być może tworzą się w następstwie wybuchów "supergwiazd" hipotetycznych
obiektów, które powstają poprzez zlanie się dużej liczby zwyczajnych gwiazd. Wszystkie znane
uprzednio czarne dziury o dużych masach leżały dokładnie w centrach galaktyk, podczas gdy nowo
Dysk pyłowy wokół czarnej dziury w obszarach
centralnych galaktyki NGC 4261. Dysk ma
średnicę około 250 parseków i masę sięgającą
100 tysięcy mas Słońca. Masę czarnej dziury
ocenia się na miliard mas Słońca.
Galaktyka Cyrkla. Na zdjęciu - gorący
gaz (kolor różowy) jest wyrzucany ze
środka spiralnej galaktyki. Większość
tego wzburzonego gazu jest jednak
skoncentrowana w dwóch
pierścieniach. Pierścień zewnętrzny,
czerwony, zlokalizowany około 700 lat
świetlnych od środka, jest miejscem
olbrzymich wybuchów związanych z
procesem powstawania gwiazd.
Uprzednio niezauważany pierścień
wewnętrzny - wewnątrz zielonego
dysku - jest widoczny z odległości 130
lat świetlnych od środka. W środku
znajduje się aktywne jądro galaktyki,
gdzie materia jasno się rozświetla,
zanim najprawdopodobniej wykona
ruch spiralny w kierunku olbrzymiej
czarnej dziury.
10440638.006.png 10440638.001.png 10440638.002.png
odkryty obiekt znajduje się w odległości aż kilkuset lat
świetlnych od centrum M82. Pochodzenie olbrzymich
czarnych dziur znajdowanych w centrach galaktyk jest
jednym z otwartych problemów astrofizyki. W świetle
nowego odkrycia wysoce prawdopodobna wydaje się
hipoteza, zgodnie z którą biorą one początek z podobnych
do odkrytej w M82 dziur "średniomasywnych". Niezależnie
od miejsca, w którym powstał, obiekt taki powoli
przemieszcza się do centrum galaktyki, gdzie następnie
"przybiera na wadze", wchłaniając opadającą nań materię.
Ostatnio ogłoszono możliwość stworzenia mikroskopijnej czarnej dziury w laboratoriach ziemskich.
Badania takich obiektów może pomogą zrozumieć zachowanie się olbrzymich ciał niebieskich.
Zgrupowanie źródeł promieniowania
rentgenowskiego w pobliżu centrum
nieregularnej galaktyki M82 (zdjęcie
wykonane za pomocą teleskopu
Chandra). Strzałka wskazuje na obiekt,
będący najprawdopodobniej czarną
dziurą o średniej masie, która 500 razy
przekracza masę Słońca.
 
Zgłoś jeśli naruszono regulamin