Czarna dziura

Czarna dziura to obszar czasoprzestrzeni, z którego nic włącznie ze światłem nie może się wydostać. Za tę specyficzną właściwość odpowiada grawitacja. Jak mówi ogólna teoria względności, aby taki obiekt powstał konieczne jest nagromadzenie wystarczająco dużej masy, zawartej w odpowiednio małej objętości. Otacza ją matematycznie wyznaczona powierzchnia, określana horyzontem zdarzeń, wyznaczająca granicę bez powrotu. Określenie „czarna dziura” powstało ze względu na to, że pochłania ona całkowicie światło, które trafia w horyzont i nie odbija niczego.

Czarna dziura - jak ją odkryto i czym się charakteryzuje?

Tezę o istnieniu w polu grawitacyjnym obiektów, które nie pozwalają na ucieczkę światła zaczęto rozważać w XVIIIw. Dwójka fizyków Pierrre Simon de Laplace i John Michell opracowali pierwsze teorie dotyczące ich istnienia. W 1916 roku Karl Schawzschild odnalazł pierwsze rozwiązanie równania Einsteina ogólnej względności, które opisywało czarną dziurę. Długo było ono jednak uznawane jedynie za matematyczną ciekawostkę. Choć pojawiły się pierwsze jego trafne interpretacje jako regionu czasoprzestrzeni, którego nie sposób opuścić, to nie zyskały one pozytywnego odbioru w środowisku naukowym. Trzeba było czekać aż do lat 60. XX wieku, kiedy prace teoretyczne udowodniły, że istnienie czarnych dziur jest następstwem funkcjonowania ogólnej teorii względności. Doszło również do obserwacyjnego potwierdzenia gwiazd neuronowych, co stanowiło istotną przesłankę, świadczącą o tym, że tego typu obiekty, powstałe za pośrednictwem zapadania grawitacyjnego, mogą istnieć naprawdę.

Jak mówi teoria Alberta Einsteina, w polu grawitacyjnym upływ czasu jest tym wolniejszy im jego siła jest większa. W takim polu dochodzi do zniekształcenia czasu z punktu widzenia obserwatora. Znaczy to tyle, że wszystkie procesy ulegają dla niego spowolnieniu. Silne pola grawitacyjne przyczyniają się do zmiany geometrycznych własności przestrzeni. Oznacza to, że np. suma kątów w trójkącie nie jest równa 180 stopniom. Przestrzeń wraz z czasem tworzą czterowymiarową czasoprzestrzeń. Siła grawitacji osiąga nieskończoną wartość na powierzchni gwiazdy, a wraz ze zbliżaniem się ciała do promienia grawitacyjnego, zbliża się ona do nieskończoności. W takich warunkach niemożliwe jest jej zrównoważenie przez skończone ciśnienie i ciało po prostu zapada się do środka, co powoduje powstanie czarnej dziury. Im bliżej do niej, tym czas zaczyna biec wolniej.

Jak odnaleźć czarną dziurę?

W celu wykrycia czarnej dziury pośród wygasłych gwiazd należy wykazać, że masa składnika niewidocznego przekracza wartość krytyczną. Jeżeli tak będzie i wyniesie ona wartość porównywalną do pięciu mas słońca, to może to być jedynie czarna dziura. Metoda ta nie należy jednak do skutecznych. Gaz podczas ewolucji przepływa z pierwotnie masywniejszego składnika do mniej obfitego, na skutego czego widoczna gwiazda ma finalnie masę, znacznie większą od nowej czarnej dziury. Z tego też powodu konieczne było ustalenie, czy istnieje zjawisko, w którym czarna dziura odgrywałaby aktywną i jednoznaczną role. W przestrzeni międzygwiazdowej zostały odkryte bardzo duże mgławice gazowe.

Gdyby w jednej z nich zlokalizowana była czarna dziura, to przyciągany przez nią gaz opadałby na nią, a w procesie spadku gazu w polu grawitacyjnym, energia pola magnetycznego byłaby zamieniana w ciepło. Elektrony, które poruszają się w polu magnetycznym są częściowo wyłapywane poprzez czarną dziurę. Większa część energii rejestrowanej przez odległego obserwatora jest emitowana w odległości kilku promieni grawitacyjnych od jej środka

Obecność gazu względem czarnej dziury

Gorący gaz, na drodze do czarnej dziury, wysyła w jej przestrzeń energię. Gaz spadający na czarną dziurę charakteryzuje się stosunkowo niewysoką jasnością. W sytuacji gdy wchodzi ona w skład ciasnego układu podwójnego, w którym drugi element stanowi olbrzym, to gaz z jego otoczki rozpocznie szybki spadek do czarnej dziury. W tego typu układzie podwójnym nie może on po prostu spaść na czarną dziurę z powodu ruchu orbitalnego, przez który strumień gazu okrąża ją, tworząc wokół niej dysk. Taki, ogrzany do temperatury dziesięciu milionów stopni, gaz emituje promieniowanie rentgenowskie. Niektóre pośród takich źródeł zmieniają okresowo jasność mniej więcej raz na sekundę. Są to wirujące gwiazdy neutronowe, posiadające pole magnetyczne, którego bieguny nie są zgodne z biegunami rotacji gwiazdy. W tym przypadku gaz spada na bieguny magnetyczne wzdłuż linii pola magnetycznego. Wniosek z tego jest taki, że czarne dziury muszą znajdować się wśród niepulsujących źródeł rentgenowskich w układach podwójnych.