Czym są czarne dziury?

Pojecie "czarna dziura" zostało wprowadzone do terminologii stosunkowo niedawno. Dokonał tego amerykański uczony John Wheeler. Natomiast sama idea czegoś co zostało przez tego naukowca nazwane pojawiła się dużo wcześniej, ponad 200 lat temu.

Były to czasy kiedy spierano się na temat natury światła. Jak wiadomo istniały dwie szkoły. Pierwszą z nich popierał sam Newton. Zakładała ona korpuskularną budowę światła. Natomiast druga szkoła optowała za falową naturą światła. Wtedy wydawało się, że obu teorii nie da się pogodzić. W czasach obecnych wiemy, że obie były poprawne. Spór wynikał stąd, że nie wiadomo było jak promieniowanie świetlne reaguje na oddziaływanie grawitacyjne. Jeśliby przyjąć , że światło jest falą to grawitacja nie powinna mieć wpływu na jego rozchodzenie się. Natomiast jeśliby rozpatrywać światło jako strumień molekuł to powinny one odczuwać oddziaływanie grawitacji tak jak planety czy inne ciała niebieskie.

Dochodził tutaj jeszcze jeden problem. Mianowicie początkowo sądzono zgodnie , że prędkość światła jest nieskończona . kiedy jednak Roemer dokonał po raz pierwszy jej pomiaru stało się jasne, że grawitacja musi mieć wpływ na poruszanie się światła.

Stwierdzenie to pociągnęło za sobą kolejne przypuszczenia. Mianowicie w roku 1783 John Michell wysunął hipotezę, że jeśli istnieje gwiazda o bardzo dużej masie to na skutek jej silnego pola grawitacyjnego dochodziłoby do zatrzymywania przez taką gwiazdę światła przez nią emitowanego. Po prosu strumień świetlny byłby zakrzywiany z powrotem w stronę gwiazdy zanim zdążyłby ją opuścić.

Uczony uważał , że takich nie świecących obszarów w przestrzeni kosmicznej może być duża ilość.

Podobną hipotezę niezależnie wysunął też Laplace.

Potem na skutek braku zainteresowania teorią dotyczącą korpuskularnej natury światła hipoteza dotycząca czarnych dziur została zarzucona.

Działanie grawitacji na światło można było poprawnie opisać dopiero po ogłoszeniu przez Einsteina ogólnej teorii względności.

Opierając się na teorii Einsteina inny naukowiec, Schwarzschild opisał językiem matematycznym geometrię czasoprzestrzeni wokół masy o kształcie sfery. Obliczył, że dal każdej masy istniej tzw. promień krytyczny. Gdyby spróbować ścisnąć daną masę wokół tego promienia to doszłoby do takiej deformacji czasoprzestrzeni , że zamknęłaby się ona wokół tego utworzonego obiektu. Nastąpiłaby izolacja obiektu od reszty Wszechświata. Obiekt zostałby po prostu odizolowany od Wszechświata. Zacząłby istnieć sam dla siebie jako odrębny wszechświat. Taki krytyczny promień został nazwany promieniem Schwarzschilda, od nazwiska odkrywcy.

Wg tego naukowca dla Ziemi taki promień krytyczny wynosi 8.8 mm, a dla Słońca 2.9 kilometra. Praktycznie oznacza to, że gdyby była możliwość ściśnięcia masy Słońca w kulce o promieniu 2.9 kilometra to zostałoby ono odcięte od Wszechświata. Stałoby się czarną dziurą.

Nie wydawało się jednak możliwe, aby takie obiekty jak czarne dziury istniały w rzeczywistości. Przede wszystkim niewyobrażalna wydawała się możliwość tak ogromnego skupienia masy danego obiektu, aby został osiągnięty promień krytyczny.

Ale tymczasem doszło do odkrycia gwiazd neutronowych. Ich promień prawdopodobnie nie przekracza dziesięciu kilometrów, a gęstość sięga setek milionów ton na centymetr sześcienny. Wystarczy więc tylko niewielkie zmniejszenie rozmiarów, aby obiekt ten przekształcił się w czarną dziurę. Dało to nadzieję naukowcom na odnalezienie czarnych dziur w przestrzeni kosmicznej.

Do trzech własności czarnych dziur należą: ładunek, masa oraz moment pędu. Prawdopodobnie jednak rzeczywiste czarne dziury nie mają ładunku i wykonują ruch rotacyjny.

Podsumowując czarnymi dziurami nazywa się fragmenty materii o olbrzymiej gęstości generujące bardzo silne pole grawitacyjne. Powoduje ono zakrzywienie czasoprzestrzeni tak, że z obrębu jego działania nic nie może się wydostać. Dotyczy to zarówno materii jak i promieniowania elektromagnetycznego.

Natomiast w obręb czarnej dziury materia może swobodnie wpadać. Efekty zakrzywienia następują na skutek ściśnięcia materii do niewielkich rozmiarów, co daje dużą gęstość.

Liczne badania i obserwacje wskazują, że czarne dziury o największych rozmiarach zlokalizowane są w centrach najbardziej aktywnych galaktyk. Podejrzewa się, że ich rozmiary nie przekraczają rozmiarów Układu Słonecznego, natomiast masa może miliard razy przewyższać masą Słońca. Przestrzeń w otoczeniu czarnych dziur emituje silne promieniowanie rentgenowskie.

Do genezy powstawania czarnych dziur zaczęto dochodzić w trakcie analizy losów gwiazdy po wyczerpaniu się paliwa jądrowego. Im wyższa jest masa gwiazdy tym wyższa osiąga temperaturę i tym szybciej dochodzi do wyczerpania paliwa jądrowego w jej wnętrzu. Kiedy paliwo się skończy temperatura gwiazdy maleje i dochodzi do jej kurczenia się.

Gdy mamy do czynienia z gwiazdami najbardziej masywnymi to właśnie w końcowej fazie ich ewolucji może dojść do przekształcenia się tych obiektów ewentualnych czarne dziury. Do końca jednak nie wiadomo czy ta teoria jest prawdziwa i czym naprawdę są obiekty zwane czarnymi dziurami.