Crna rupa

Što je crna rupa:

Crna rupa je prostorni fenomen vrlo visokih razmjera (obično veći od Sunca) i izuzetno kompaktne mase, što rezultira tako snažnim gravitacijskim poljem da niti jedna čestica ili zračenje ne mogu izaći.

Budući da je čak i svjetlost usisana, crne rupe su nevidljive, a njihovo postojanje dokazuju samo gravitacijske posljedice koje se mogu opaziti u njegovoj okolini, osobito promjenama orbita u blizini nebeskih tijela, koje sada privlači crna rupa.

U teoriji, samo nešto što se kreće brzinom većom od brzine svjetlosti moglo bi izdržati gravitacijsko polje crne rupe. Iz tog razloga nije moguće sa sigurnošću znati što se događa sa sisama.

Koliko je velika crna rupa?

Crne rupe postoje u različitim veličinama. Znanstvenici su poznati kao primordijalne crne rupe i smatraju se veličinom atoma, ali s ukupnom masom planine.

Srednje crne rupe (čija je masa i do 20 puta veća od ukupne mase Sunca) nazivaju se zvjezdane . U ovoj kategoriji, najmanja otkrivena crna rupa ima 3, 8 puta veću solarnu masu.

Najveće katalogizirane crne rupe nazivaju se supermasivne, često pronađene u središtu galaksija. Kao primjer, u središtu Mliječne staze je Strijelac A, crna rupa s masom jednakom 4 milijuna puta većoj od Sunčeve mase.

Do sada je najveća poznata crna rupa nazvana S50014 + 81, čija je masa jednaka četrdeset milijardi puta mase Sunca.

Kako se formiraju crne rupe?

Crne rupe nastaju iz gravitacijskih kolapsa nebeskih tijela. Ove pojave nastaju kada je unutarnji pritisak tijela (obično zvijezde) nedovoljan za održavanje vlastite mase. Kada se jezgra zvijezde sruši zbog gravitacije, nebesko tijelo eksplodira oslobađajući velike količine energije u događaj poznat kao supernova .

Vizualni prikaz supernove.

Tijekom supernove, u djeliću sekunde, cijela masa zvijezde je stisnuta u svoju jezgru dok se kreće oko 1/4 brzine svjetlosti (uključujući, u ovom trenutku, najteži elementi svemira su stvoreni).

Tada će eksplozija dovesti do neutronske zvijezde ili, ako je zvijezda dovoljno velika, rezultat će biti stvaranje crne rupe, čija astronomska količina koncentrirane mase stvara prethodno spomenuto gravitacijsko polje. U njemu brzina bježanja (brzina potrebna da se neka čestica ili zračenje odupre privlačnosti) mora biti barem veća od brzine svjetlosti.

Vrste crnih rupa

Njemački teoretski fizičar Albert Einstein formulirao je skup hipoteza vezanih uz gravitaciju koje su poslužile kao osnova za nastanak moderne fizike. Ovaj skup ideja nazvan je teorija opće relativnosti, u kojoj je znanstvenik napravio nekoliko inovativnih zapažanja o gravitacijskim učincima crnih rupa.

Za Einsteina, crne rupe su "deformacije u prostoru-vremenu uzrokovane velikom količinom koncentrirane tvari". Njegove su teorije promicale brz napredak područja i omogućile razvrstavanje različitih vrsta crnih rupa:

Schwarzschildova crna rupa

Crne rupe Schwarzschilda su one koje nemaju električni naboj i također nemaju kutni impuls, tj. Ne rotiraju se oko svoje osi.

Kerr Black Hole

Kerrove crne rupe nemaju električni naboj, ali se okreću oko svoje osi.

Crna rupa Reissner-Nordstrom

Reissner-Nordstrom crne rupe imaju električni naboj, ali se ne okreću oko svoje osi.

Kerr-Newman crna rupa

Kerr-newmanske crne rupe su električki nabijene i vrte se oko svoje osi.

U teoriji, sve vrste crnih rupa postaju Schwarzschildove crne rupe (statički i bez električnog naboja) kada izgube dovoljno energije i prestanu rotirati. Ovaj fenomen poznat je kao Penroseov proces . U tim slučajevima, jedini način da se jedna crna rupa razlikuje od Schwarzschilda od druge je mjerenje njene mase.

Struktura crne rupe

Crne rupe su nevidljive jer je njihovo gravitacijsko polje neizbježno čak i za svjetlo. Dakle, crna rupa ima izgled tamne površine iz koje se ništa ne odražava i nema dokaza o tome što se događa s elementima koji su usisani u nju. Međutim, iz promatranja učinaka koje uzrokuju u njihovoj okolini, znanost strukturira crne rupe u horizontu događaja, singularnosti i ergosferi .

Horizont događaja

Granica gravitacijskog polja crne rupe od koje se ništa ne promatra naziva se horizontom događaja ili točkom bez povratka .

Grafički prikaz horizonta događaja, dostupan od NASA-e, u kojem se promatra savršena sfera odakle ne emitira svjetlo.

Iako je zapravo riječ samo o gravitacijskim posljedicama, horizont događaja smatra se dijelom strukture crne rupe jer je to početak vidljivog područja fenomena.

Poznato je da je njegov oblik savršeno sferičan u statičnim crnim rupama i kosim u rotirajućim crnim rupama.

Zbog gravitacijske dilatacije vremena, utjecaj mase crne rupe na prostor-vrijeme uzrokuje da horizont događaja, čak i izvan njegovog raspona, ima sljedeće učinke:

  • Za udaljenog promatrača, sat u blizini horizonta događaja kretao bi se sporije od drugog dalje. Prema tome, bilo koji predmet koji je usisan u crnu rupu, čini se da se usporava sve dok ne bude paraliziran na vrijeme.
  • Za udaljenog promatrača, objekt koji se približava horizontu događaja pretpostavlja crvenkastu nijansu, posljedicu fizičkog fenomena poznatog kao crveni pomak, budući da je frekvencija svjetla smanjena gravitacijskim poljem crne rupe.
  • S točke gledišta objekta, vrijeme bi prolazilo ubrzanom brzinom za cijeli svemir, dok bi za sebe vrijeme prolazilo normalno.

jedinstvenost

Središnja točka crne rupe, u kojoj je masa zvijezde postala beskonačno koncentrirana, naziva se singularnost, o kojoj se malo zna o tome. U teoriji, singularnost sadrži ukupnu masu zvijezde koja se srušila, dodana masi svih tijela usisanih gravitacijskim poljem, ali nema volumen ili površinu.

ergosphere

Ergosfera je područje koje zaobilazi horizont događaja u rotirajućim crnim rupama, u kojima je nemoguće da nebesko tijelo miruje.

Ipak, prema Einsteinovoj relativnosti, bilo koji rotirajući objekt ima tendenciju da povuče prostor-vrijeme blizu njega. U crnoj rupi koja rotira, ovaj je učinak toliko jak da bi bilo potrebno da se nebesko tijelo kreće u suprotnom smjeru brzinom većom od brzine svjetlosti da ostane nepomična.

Važno je ne brkati učinke ergosfere s učincima horizonta događaja. Ergosfera ne privlači objekte gravitacijskim poljem. Prema tome, sve što dođe u kontakt s njim samo će biti premješteno u prostor-vrijeme i privući će se samo ako se siječe horizont događaja.

Teorije Stephena Hawkinga o crnim rupama

Stephen Hawking bio je jedan od najutjecajnijih fizičara i kozmologa 20. i 21. stoljeća, a među njegovim brojnim prilozima riješio je nekoliko teorema koje je predložio Einstein, a koji su doprinijeli teoriji da je svemir započeo u singularnosti, dodatno pojačavajući takozvanu teoriju Veliki prasak .

Hawking je također vjerovao da crne rupe nisu potpuno crne, već emitiraju male količine toplinskog zračenja. Ovaj je učinak bio poznat u fizici kao Hawking radijacija . Ta teorija predviđa da će crne rupe izgubiti masu s oslobođenim zračenjem i da će se u izuzetno sporom procesu smanjiti do nestanka.