Teoria Względności Alberta Einsteina

Nasza aktualna wiedza o ruchu ciał bierze się od koncepcji Galileusza oraz Newtona. Wcześniej ludzie zaufali Arystotelesowi, który uważał, iż naturalnym stanem ciała jest spoczynek oraz że przemieszcza się on jedynie na skutek siły pchnięcia. Brało się to stąd, iż ciężkie ciała muszą spadać szybciej. Pierwszą osobą, która pokazała że jest inaczej był Galileusz, który zmierzył szybkość przeróżnych ciał toczących się po równi pochyłej zauważył przy tym, iż po zaniechaniu oporu powietrza, ciała przyspieszają jednostajnie i nie jest to uzależnione od ich szybkości. Analizy Galileusza przysłużyły się Newtonowi, użył ich za podstawę do praw ruchu. Ich wielką zaletą była prostota oraz generalnie pokrywała się z opisem świata jaki postrzegają ludzi. Został utworzony również styl myślenia Newtonowskiego nazywany "mechaniką nieba".

W 1676 roku duński astronom Ole Christensen wykrył, iż światło przemieszcza się z szybką, ale skończoną prędkością. Zauważył on, iż srebrne globy Jowisza nie chowają się za nim w takich samych odstępach czasu. W trakcie ruchu naszej planety oraz Jowisza na około Słońca ulega zmianie odległość pomiędzy nimi. Zaobserwował on iż zaćmienia srebrnych globów są tym bardziej opóźnione im większa jest ich odległość od naszej planety. Pomiar odległości naszej planety oraz Jowisza którego dokonał nie był zbyt precyzyjny , a wyliczona prędkość światła równa była 200 tys. km/s (aktualnie wiemy że jej wartość wynosi prawie 300 tys. km/s). Pomimo błędu było to ogromne osiągnięcie.

Dobrą teorię rozchodzenia się światła zdefiniował dopiero w 1865 roku brytyjski fizyk James Clerk Maxwell, któremu udało się połączyć cząstkowe teorie wykorzystywane wcześniej do opisywania sił elektryczności oraz magnetyzmu. Z równań Maxwella można wywnioskować występowanie falowych zaburzeń pola elektromagnetycznego, które musza rozprzestrzeniać się ze skończoną prędkością, tak samo jak fale na powierzchni stawu. Teoria Newtona wykluczyła pojęcie absolutnego spoczynku oraz podając szybkość światła trzeba było podać również względem czego. Pojawiło się więc pojęcie "eteru kosmicznego" aktualnego wszędzie - nawet w pustej przestrzeni. Niemniej jednak brało się z takich założeń, iż prędkość światła mierzona była względem przeróżnych źródeł (ruchomych albo spoczywających) będzie inna. Bierze się to z tego iż na przykład szybkość światła mierzona w kierunku obrotowym naszej planety musi być większy aniżeli mierzona prostopadle do niego. W 1887 roku Albert Michelson oraz Edward Morley dokonali powyższy doświadczenia bardzo precyzyjnie. Ku swojemu ogromnemu zdziwieniu wykryli, iż obie szybkości są sobie równe.

Powyższe stwierdzenia przetrwały do początku dwudziestego wieku - do czasów Alberta Einsteina. Działał on nad utworzeniem jednolitej teorii która opisywałaby wszelkie zjawiska jakie zachodzą w przyrodzie. Utworzył on tak zwaną Teorię Względności (na początku Szczególną Teorię Względności, potem Ogólną). Zgodnie ze Szczególną Teorią Względności, odległość mierzy się posługując się pomiarami czasu oraz prędkością światła. Szczególna Teoria Względności natomiast zmusza nas do zmiany koncepcji czasu. Musimy zauważyć, iż czas nie jest całkowicie oddzielony od przestrzeni, ale jest z nią złączony w jedną całość - czasoprzestrzeń. W takim układzie czas jest dodatkową współrzędną.

Z równań Maxwella można wywnioskować również, iż prędkość światła nie jest uzależniona od prędkości z jaką przemieszcza się źródło, a sygnał świetlny wysyłany w pewnym momencie rozprzestrzeni się kształtując kulę o promieniu który jest uzależniony od czasu. Jeśli pominiemy 1 z wymiarów przestrzennych oraz ulokujemy źródło w układzie współrzędnych (x,y) wówczas będzie to wyglądało jak fale na wodzie. Jeśli dodamy współrzędną czasową wówczas uzyskamy stożek - świetlny (ilustracja 1). Wszelkie zdarzenia z których światło było w stanie dotrzeć do naszego zdarzenia tworzą 2 symetryczny stożek świetlny - przeszłości. Stożki dzielą więc czasoprzestrzeń na 2 regiony - absolutna przyszłość zdarzenia P, absolutna przeszłość zdarzenia P oraz teraźniejszość - zdarzenie P. Absolutna przyszłość jest to środek stożka przyszłości. Jest to zbiór wszelkich zdarzeń na które P jest w stanie oddziaływać (ilustracja 2). Absolutna przeszłość jest to zdarzenia środka stożka przeszłości. Jedynie te są w stanie oddziaływać na nasze zdarzenie. Obszar poza stożkami jest to tak zwane "gdzie indziej". Te zdarzenia nie są w stanie wpłynąć na P, ani P nie jest w stanie wpływać na nie. Granicą stożków jest prędkość światła od której (na podstawie Teorii Względności) nic nie jest w stanie przemieszczać się szybciej.

Szczególną Teorię Względności z powodzeniem tłumaczy fakt, iż prędkość światła jest identyczna dla przeróżnych obserwatorów, bardzo dobrze opisuje zjawiska jakie mogą zachodzić, kiedy ciało przemieszcza się z ogromną prędkością. Jest ona jednak sprzeczna z teorią Newtona, która mówi, iż zmiana parametrów 1 ciała oddziaływującego na 2 od razu zmienia siłę przyciągania. Znaczy to, iż efekty grawitacyjne muszą podróżować z nieskończoną prędkością. Einstein bardzo długi czas starał się odnaleźć teorię ciążenia która byłaby zgodna ze Szczególną Teorią Względności. W końcu w 1915 roku zaproponował nową teorię, nazywaną aktualnie Ogólną Teorią Względności. Genialność idei Einsteina opierała się na potraktowaniu grawitacji całkiem inaczej aniżeli pozostałych sił, a dokładniej jako konsekwencję krzywizny czasoprzestrzeni. Czasoprzestrzeń nie jest płaska ale pofałdowana. Przez rozłożoną w niej energię oraz masę. Ciała takie jak nasza planeta przemieszczają się po najkrótszej linii, zwanej linią geodezyjną, po zakrzywionej czasoprzestrzeni. Na przykład linia geodezyjna na naszej planety to łuk. Pierwszy dowodem na to ze teorie Einsteina są poprawne było potwierdzenie jej przy obrocie długiej osi elipsy Merkurego o 1 stopień w czasie 10000 lat. Zaobserwowano ten efekt parę lat przed Teorią Względności. Efekt ten choć niezauważalny, był nie do wyliczenia ze wzorów Newtona.

Promienie świetlne powinny także przemieszczać się po liniach geodezyjnych w czasoprzestrzeni. W tym przypadku będzie się nam wydawało, iż światło nie przemieszcza się po liniach prostych ale krzywych. A więc z OTW można wysunąć wniosek, że promienie światła zaginane są przez pole grawitacyjne. Na przykład stożki świetlne w punktach bliskich Słońca pochylają się ku niemu. Efekt ten zauważalny jest dopiero w czasie zaćmienia Słońca oraz został po raz pierwszy potwierdzony w 1919 roku w czasie zaćmienia Słońca jakie obserwować można było w Afryce. Idea Newtona pokrywa się zatem z Ogólną Teorią Względności, ale jedynie dla płaskiej czasoprzestrzeni.

Następną konsekwencją Ogólnej Teorii Względności jest fakt, iż czas musi płynąć wolniej niedaleko ogromnych mas takich jak np. nasza planeta. Bierze się z faktu istnienia związku pomiędzy energią światła oraz jego częstością - im większa energia tym większa częstość. W miarę jak światło porusza w górę w polu grawitacyjnym zmniejsza się jego częstość (co oznacza wydłużenie okresu pomiędzy następnymi grzbietami fali). Ktoś kto oglądałby nasza planetę z góry mogłoby się wydawać że czas płynie na naszej planecie wolniej. Występowanie tego faktu potwierdzono w 1962 roku przy pomocy pary bardzo precyzyjnych zegarów które zamontowano na dole oraz szczycie wieży ciśnień. Różnica szybkości zegarów posiada do dziś ogromne znaczenie np. przy nawigacji satelitarnej. Gdyby nie uwzględniano Ogólnej Teorii Względności błąd mógłby być równy nawet kilka mil. Dobrym przykładem dylatacji czasowych jest tak zwany paradoks bliźniąt. Ogólna Teoria Względności posiada zupełnie inny pogląd na czas oraz przestrzeń - są one teraz dynamicznymi wielkościami. Przemieszczające się w niej ciała mają wpływ na czasoprzestrzeń, która następnie ma wpływ na ich ruch oraz działanie sił.

Co to jest czarna dziura?

Określenie "czarna dziura" pojawiło się zupełnie niedawno. Wprowadził je w 1969 roku amerykański uczony John Wheeler. pomysł czarnych dziur powstał ponad dwieście lat wcześniej, jako pierwszy dopuścił ich występowanie w roku 1783 John Michell oraz prawie równocześnie Pierre Simone de Laplace. Pokazali oni, iż ciało niebieskie o dostatecznie dużej masie oraz gęstości produkowałoby tak silne pole grawitacyjne że światło nie było by w stanie się oddalić. Chociaż nie widzielibyśmy ich światła bylibyśmy w stanie je odkryć na skutek ich przyciąganiu grawitacyjnemu. Dla Michell'a oraz Laplace'a czarne dziury były tylko nie świecącymi ciałami niebieskimi. Nie zdawali sobie oni sprawy, iż nic nie jest w stanie przemieszczać się szybciej aniżeli światło.

Według teorii Newtona siła przyciągania grawitacyjnego jest wprost proporcjonalna do iloczynu mas obu ciał oraz odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości.. Wyobraźmy teraz sobie iż pomniejszamy promień. Wtedy grawitacja na powierzchni będzie rosła (odległość od środka będzie maleć). Na podstawie teorii Newtona pomniejszanie promienia 2 razy zwiększy grawitację 4 razy, na podstawie Einsteina nawet bardziej. Posiada to ogromne znaczenie kiedy ciało niebieskie zostanie ściśnięta tak bardzo iż siła grawitacji stanie się supersilna - wówczas różnica pomiędzy 2 teoriami staje się bardzo duża. Pierwsza założyła iż siła dąży do nieskończoności, kiedy promień będzie dążył do 0, 2 kiedy staje się równy tak zwanemu promieniowi grawitacyjnemu. Wielkość takiego promienia (tzw. promienia grawitacyjnego) definiowana jest przez masę ciała. Dla naszej planety promień grawitacyjny wynosi 1 cm, dla Słońca 1 km. Dla promienia dużo większego aniżeli promień grawitacyjny różnica pomiędzy teoriami będzie wynosiła miliardową część.

Zgodnie z Teorią Względności światło nie jest w stanie opuścić powierzchni ciała o promieniu mniejszym od promienia grawitacyjnego. Nie jest to jedyna niezwykłość. Siła grawitacji na powierzchni ciała niebieskiego o promieniu równym promieniowi grawitacyjnemu staje się nieskończona - przyśpieszenie swobodnego spadku staje się nieskończenie duże. Normalne ciała niebieskie oraz planety nie zostają ściśnięte do rozmiaru punktu, gdyż siły ciśnienia oraz sprężystości równoważą zapadanie się grawitacyjne. Ciśnienie uzależnione jest od stanu materii, zatem im np. bardziej ściśnięta materia tym większe ciśnienie. Kiedy rozmiary ciała będą zbliżać się do promienia grawitacyjnego siła grawitacji będzie rosła nawet do nieskończoności oraz nie będzie mogła być zrównoważona przez skończone siły. Materia zmuszona do swobodnego spadku na promień grawitacyjny nie jest w stanie zatrzymać się na powierzchni Schwarzschilda (zewnętrzne pole grawitacyjne na około promienia grawitacyjnego, zwane tak na cześć fizyka, który jako pierwszy rozwiązał równania Einsteina)., gdyż podlegałaby nieskończonym siłom grawitacji. Cokolwiek zatem będzie poniżej promienia grawitacyjnego powinno spaść do środka. Bierze się to z tak ogromnego zakrzywienia stożków świetlnych, iż ich cały stożek przyszłości jest poniżej promienia grawitacyjnego. Spowoduje to katastroficzne, niepohamowane zapadanie się aż do osobliwości, nazywane kolapsem relatywistycznym. Potrzeba jedynie ścisnąć ciało do rozmiaru odpowiadającego promieniowi grawitacyjnemu, aby późniejsze zapadanie dochodziło już samo. Można uczynić to sztucznie np. ściskając górę która waży miliard ton do rozmiaru jądra atomowego.

Jakie Czarna Dziura posiada cechy?

Teoria Względności założyła, iż im bliżej albo im większa masa ciała tym czas w jej pobliżu płynie wolniej. W pobliżu czarnej dziury czas płynie bardzo powoli, aby wreszcie już na jej horyzoncie zwolnić nieskończenie. Osoba obserwująca np. kamień który spada na czarną dziurę zaobserwuje hamowanie w jej pobliżu oraz wreszcie zamarcie przy jej granicy. Tak samo osoba obserwująca zapadanie się gazu ciała niebieskiego zauważy zjawisko po nieskończenie długim czasie. Nie znaczy to natomiast kontemplowania tego samego obrazu przez wieczność, gdyż światło wysyłane przez ciało niedaleko masy czerwienieje (pomniejsza się jego częstość). Gdy będziemy obserwować kamień który będzie spadał na czarną dziurę zauważymy jego obraz coraz bardziej poczerwieniony (przesunięte widmo), aby wreszcie "poczerwienione" fotony niosące coraz mniej energii dotarły do osoby obserwującej po nieskończenie długim czasie. Złączenie efektu Dopplera oraz dylatacji czasu spowoduje, iż obszar zapadającego się ciała niebieskiego niedaleko sfery Schwarzschilda staje się niewidoczny. Także radar nie może odkryć czarnej dziury, gdyż jego fale odbiją się po nieskończenie długim czasie. Tak więc w praktyce ciało niebieskie nigdy nie skurczy się do rozmiaru punktu, gdyż w praktyce przestaje się zapadać w momencie uzyskania wymiaru promienia grawitacyjnego.

Ciała przemieszczające się niedaleko czarnej dziury posiadają ogromne ograniczenia. Kiedy promień orbity będzie wynosił mniej aniżeli 1,5 promienia Schwarzschilda prędkość ucieczki zrówna się z prędkością światła. W odległości trzech promieni prędkość będzie wynosiła prawie połowę prędkości światła. W ogromnej odległości ruch może zachodzić po paraboli oraz siła grawitacji jedynie odrobinę zakrzywi czasoprzestrzeń. Jeśli ruch paraboliczny będzie odbywał się niedaleko podwojonego promienia, nawinie się on jak przędza na motek oraz zamieni w orbitę kołową. Ciało zostanie schwytane przez czarną dziurę i nigdy nie uda mu się z niej wydostać. Samo posiadanie tak dużej prędkości ucieczki nie wystarczy. Konieczny jest jeszcze specjalny tor ruchu który tworzy charakterystyczny kąt z kierunkiem ku czarnej dziurze. Im dalej od czarnej dziury tym kąt ten jest mniejszy.

Niedaleko czarnej dziury dochodzi jeszcze do jednego ważnego procesy związanego z falami grawitacyjnymi, których występowanie założyła Teoria Względności. Takie fale na podstawie Teorii Względności powinny mieć fale elektromagnetyczne. W normalnych warunkach ich energia jest mała oraz np. ruch planet w Układzie Słonecznym generuje energię grawitacyjną równą mocy prawie stu żarówek. Kiedy planety albo ciała niebieskie w układach podwójnych przemieszczają się po orbitach kołowych emitują fale grawitacyjne, które unoszą energię. Normalne te straty energii są niewielkie. Ciała które krążą po kołowych orbitach na około czarnych dziur emitują także fale grawitacyjne. Proces ten trwa do czasu gdy promień orbity zmaleje do trzech promieni grawitacyjnych. Osiągnąwszy tę odległość ciało wykonuje jeszcze kilka obiegów, wypromieniowuje pewną ilość energii i wysyłają je również do czarnej dziur. Zwykle natężenie promieniowania grawitacyjnego jest niewielkie, ale proces trwa dłużysz czas (dylatacja czasowa). Suma energii będzie więc ogromna. Suma "wydalonej" energii będzie równa prawie sześć procent masy. Czarne dziury mogły by być więc źródłem energii.

Do tej pory rozważaliśmy problem czarnych dziur jakie powstały przez zapadnięcie się dokładnie sferycznych ciał niebieskich które są nieruchomymi przed zapadnięciem. Załóżmy iż ciało przed zapadnięciem nie było dokładnie sferyczne. Czy znaczy to, iż pole grawitacyjne też będzie spłaszczone. Otóż pokazano, iż w takim wypadku promień będzie za duży i dlatego nie dojdzie do kolapsu. Rzecz w tym, iż kiedy rozmiary ciała zbliży się do promienia grawitacyjnego, dojdzie do bardzo intensywnej emisji fal grawitacyjnych a w związku z tym wszystkie odstępstwa od dokładnie sferycznego kształtu zostają sprasowane oraz wypromieniowane. W momentach chwilach po utworzeniu się czarna dziura jest spłaszczona oraz zdeformowana. Takiej formy nie może jednak za długo posiadać. Bardzo szybko odzyskuje sferyczny kształt, natomiast zbędne "detale" zostają wyemitowane w formie fal grawitacyjnych. O charakterze pola decyduje jedynie 1 parametr - masa wytwarzającego je ciała. Czarne dziury są w stanie przyjmować różne rozmiary, ale w gruncie rzeczy różnią się jedynie masą. Natychmiast należy sobie zadać pytanie co się dzieje kiedy ciało zapadające obdarzone jest ładunkiem elektrycznym (otacza je pole elektryczne). Analizy tego problemu doprowadziły do bardzo interesującego wniosku. Wszystkie pola fizyczne w momencie kolapsu zostają wypromieniowane, ale pole elektryczne nie ulega zmianie i cały czas otacza czarną dziurę. Zjawisko pola elektrycznego nie ma większego znaczenia pośród obiektów kosmicznych. Wszelkie czarne dziury da się opisać jedynie 2 parametrami - masą i ładunkiem elektrycznym. To tak jakby wszelkie kobiety dało się opisać poprzez jedynie wagą czy kolor włosów. Wszelkie pola, które mogą zostać wypromieniowane zostają wypromieniowane, jedynie dokładnie sferyczne pole grawitacyjne raz elektryczne zostają. Czarna dziura posiada dokładnie sferyczną formę. Dlatego mówi się, iż "czarne dziury nie mają włosów".

Do tej pory zajmowaliśmy się "statycznymi" czarnymi dziurami. Co będzie się działo kiedy ciało zapadające się będzie miało pewną rotację. Teoria Względności założyła, iż pole grawitacyjne również wiruje. Rotacja nieco spłaszcza czarną dziurę, tak samo jak to ma miejsce w przypadku naszej planety. Rotacja zmienia granicę nieskończonej grawitacji. Staje się ona nieskończona na zewnątrz horyzontu, na powierzchni nazywanej ergosferą. Kiedy ciało przekroczy powierzchnię ergosfery żadna siła nie może go utrzymać. Pole wirowe zmusza je do ruchu względem czarnej dziury. W przeciwieństwie do sfery Schwarzschilda ergosfera nie zmusza do ruchu do środka czarnej dziury, ale do okrążania jej. Ciało przemieszczające się w środku ergosfery przemieszcza się za to ze skończoną szybkością oraz dozwolona jest orbita kołowa. W statycznej czarnej dziurze orbita kołowa jest całkowicie niemożliwa ze względu na swą niestabilność. Rotacja czarnej dziury ulegają zmianie zatem zasadniczo jej własności. Czarna dziura nie jest w stanie się jednak obracać zbyt szybko. Rzecz w tym, iż gdyby ciało przemieszczałoby się z ogromną prędkością nie utworzyłaby się czarna dziura, gdyż w czasie kolapsu siły przypływowe zmieniły by ciało w "naleśnik" oraz jak wcześniej napisaliśmy nie powstałaby czarna dziura. I tu kolejna ciekawa rzecz - ciało przemieszczające się po orbicie kołowej na około czarnej dziury, która wiruje z największą dozwoloną prędkością wysyła w formie fal grawitacyjnych siedem razy więcej energii aniżeli na ogół.

Uwolnienie z rotującej czarnej dziury w przeciwieństwie do statycznej jest możliwe. Jeśli np. pilot fikcyjnej rakiety w bezpośrednim sąsiedztwie czarnej dziury włączy silniki, wyrzucone zostaną gazy odrzutowe. Można je tak skierować aby wpadały do czarnej dziury. Wtedy rakieta ulegnie przyśpieszeniu oraz zostanie wyrzucona z ergosfery z dużą szybkością - znacznie większą aniżeli otrzymałaby z pracy silników. Silnik rakiety przemieścił ją na nową orbitę, skąd porwie ją wir grawitacyjny a następnie wyrzuci z ogromną szybkością. Energia uniesiona przez rakietę będzie brała się z wiru, zatem energii rotacyjnej czarnej dziury. W końcu obroty czarnej dziury zostają spowolnione. Cechę tę przewidział angielski fizyk Roger Penrose. Pomimo, iż energia rotacyjna będzie się zmniejszać, rozmiarów horyzontu nie da się pomniejszyć. Pokazano, iż nie ma sposoby by zrobić cos takiego. Jeżeli wiele dziur oddziałuje ze sobą, suma powierzchni ich horyzontów nie jest w stanie zmaleć w wyniku tego oddziaływania. Czarna dziura jest czymś w rodzaju przepaści bez dna. Są wiecznie powiększającymi się grawitacyjnymi otchłaniami.

Ewentualne jest więc aby natężenie fal jakie padają na kręcącą się czarną dziurę było mniejsze od natężenia fal rozproszonych przez czarną dziurę. W tym wypadku częstość fal elektromagnetycznych padających powinna być mniejsza niż częstości jej obrotów. Zjawisko takie wykryte zostało przez profesora Jakowa Zeledowicza oraz zostało nazwane nadpromienistością. Wzmocnienie fal w oddziaływaniu z czarną dziurą jest raczej skromne oraz równe jest ono 4,4%. Niemniej jednak ewentualna jest sytuacja zamkniętego obiegu oraz w efekcie lawinowego wzmocnienia co byłoby w stanie doprowadzić do dużego wzmocnienia.

Co będzie się działo z człowiekiem, który wpadnie do czarnej dziury? Czarna dziura rozerwie go na strzępy. Ewentualny czas "życia" w czarnej dziurze równy jest czasowi jaki konieczne jest światłu by przemierzyć średnicę czarnej dziury. Nie trwa to długo, zważywszy rozmiary czarnej dziury. Rozerwanie dojdzie z powodu tzw. sił przypływowych - różnica siły wpływającej na głowę oraz stopy człowieka (albo innego ciała) jest nieskończona oraz w rezultacie rozrywa go na strzępy w czasie części stutysięcznych sekundy.

W 1974 roku Stephen Hawking dokonał bardzo interesującego odkrycia. Odkrycia, które prawdopodobnie było przyczyną do wytłumaczenia świata. Pokazał on, iż występuje proces na sutek którego czarna dziura jest w stanie doprowadzić do utworzenia się cząstek co doprowadzi do pomniejszenia masy oraz rozmiarów czarnej dziury. Na pierwszy rzut oka jest to nie realne. Rzecz w tym, iż na zewnątrz czarnej dziury pole nie jest w stanie być zamrożone, gdyż ciała powinny spadać na czarną dziurę. Otóż próżnia tak naprawdę nie jest pusta. W każdym punkcie przestrzeni, co jakiś czas tworzą się tak zwane cząstki wirtualne. Jest to para takiej samej cząstki oraz antycząstki. Ich suma energii wynosi 0. Może być taka sytuacja, iż jedna z nich utworzy się za horyzontem, druga natomiast przed. Pierwsza w rezultacie zostanie pochłonięta natomiast kolejna np. a która znajduje się w ergosferze zostanie wyrzucona. Mamy zatem do czynienia z kwantowym wypromieniowywaniem energii. Z wyliczeń Hawkinga wynika, iż dziura zachowuje się jak normalne ciało które promieniuje w bardzo niskiej temperaturze np. czarna dziura o masie Słońca posiada temperaturę 1/10 milionowej stopnia. Tak niskie promieniowanie wcale prawie nie obniża energii czarnej dziury. Czarna dziura zyskuje dużo więcej energii na skutek "połykania" międzygwiezdnego pyłu czy gazu. Kiedy dochodzi do zmniejszania się masy czarnej dziury, jej temperatura rośnie oraz proces parowania ulega przyśpieszeniu. Temperatura czarnej dziury o masie 1000 ton równa jest 1017. Parowanie zmieni się w eksplozję. Normalna "gwiazdowa" czarna dziura wyparuje po 1066 lat. Czarna dziura stwarza nie tylko fotony, ale również i inne cząsteczki. Im mniejsza masa tym cięższe cząsteczki czarna dziura może wysyłać. Czarna dziura o masie normalnego ciała niebieskiego wytwarza neutrina (81%), fotony (17%) oraz grawitony (2%).

Podsumowując nic nie jest w tanie być prostsze aniżeli czarna dziura. Jej własności w momencie kolapsu ograniczają się jedynie do masy oraz ewentualnie pola elektrycznego czy rotacji .Wszelkie pozostałe własności są zatracane oraz zanikają w momencie kolapsu. Dla osoby obserwującej nie ma żadnego znaczenia. Analiza czarnej dziury poszerza nasze wiadomości na temat czasu oraz przestrzeni. Ludzka wyobraźnia nie jest w stanie objąć efektów jakie zachodzą w jej środku. Jest ona więc mimo swojej prostoty bardzo

skomplikowana.

Jak tworzy się czarna dziura? Jak ją odnaleźć?

Jak już wcześniej pisaliśmy, ciśnienie gazów kompensuje grawitacyjne zapadanie się ciał niebieskiego. W miarę upływu czasu zapas paliwa jądrowego w ciele niebieskim będzie się zmniejszał. Długość życia ciała niebieskiego jest uzależniona od szybkości spalania paliwa. Im większe ciało tym więcej paliwa mysi zużywać by utrzymać się przy życiu oraz tym szybciej paliwo się skończy. Ciała niebieskie o masie która jest zbliżona do masy Słońca żyją prawie dziesięć miliardów lat. Dla przykładu ciało niebieskie o masie trzy razy większej niż Słońca żyje przez miliard lat., 10 razy - 100 milionów lat. Kiedy skończy się paliwo ciało niebieskie dalszym stopniu wypromieniowuje paliwo oraz powoli się kurczy. Jeżeli masa ciała niebieskiego nie przekroczy 1,2 masy Słońca to kurczenie ustaje kiedy jej promień będzie się zmniejszał do kilku tysięcy kilometrów. Gęstość materii sięga wówczas 1019g/cm3. Takie ciała niebieskie nazywa się białymi karłami. Takie ciao niebieskie może dalej świecić aż wystygnie nawet całkowicie.

Jeżeli masa ciała niebieskiego będzie większa niż 1,2 masy Słońca to reakcje energochłonne reakcje jądrowe zachodzące w czasie kurczenia się spowodują jej całkowite zapadnięcie się. Można zaobserwować wówczas eksplozję supernowej (ilustracja obok). Jeśli masa ciała niebieskiego nie przekracza 2 mas słońca to oddziaływanie kwantowe powstrzymuje dalsze kurczenie się ciała. Jej gęstość równa jest wówczas 1014-1015 g/cm3. Jest to gęstość jądra atomowego. Taką gwiazdę nazywa się gwiazdą neutronową. Rozmiar gwiazdy neutronowej nie jest większy niż dziesięć km. Ich występowanie było długo kwestionowane, ale ostatnie analizy pulsarów potwierdziły, iż są to gwiazdy neutronowe. Wyliczenia pokazują jednak, iż po wypaleniu paliwa jądrowego, skurczeniu się oraz odrzuceniu otoczki masa ciała niebieskiego przekracza wartość krytyczną (prawie dwie masy Słońca), nic nie może powstrzymać ciała niebieskiego od zapadnięcia się (nawet duże ciśnienie wewnętrzne). Czarne dziury tworzą się więc nieuchronnie kiedy gwiazdy o ogromnej masie kończy swój żywot.

Jak szukać odnaleźć czarną dziurę? Odnalezienie czarnej dziury jest bardzo trudne ze względu na absolutnie czarny charakter, niewielkie rozmiary oraz brak wysyłania dużych ilości energii. Ale gaz spadający na czarnej dziurze nie jest w stanie spadać po linii prostej, ale zawsze po spirali. Oddziaływanie pomiędzy spiralami gazu powoduje że wzrasta jego temperatura nawet do 10 milionów stopni. Gaz podgrzany do takiej temperatury wysyła promieniowanie rentgenowskie. By zaobserwować takie źródła należy wynieść ponad atmosferę specjalne teleskopy. Po precyzyjnych analizach naukowcy doszli do wniosku, iż czarne dziury powinny być pośród nie pulsujących źródeł rentgenowskich w układach podwójnych. Pole grawitacyjne konieczne do nagrzania gazu do takiej temperatury przy której świeci on rentgenowsko powinno być bardzo silne. Zdajemy sobie sprawę, iż najważniejsza jest masa. Jeżeli masa "martwego" ciała niebieskiego przekracza dwie masy Słońca to musi to być czarna dziura.

Najbardziej wiarygodnym obiektem do tej pory okazało się źródło w gwiazdozbiorze Łabędzia zwane Cygnus X-1. Źródło tego układu to ciało niebieskie o prawie 20 razy masywniejsze niż słońce. Promieniowanie rentgenowskie bierze się z "martwej" gwiazdy o prawie 10 razy cięższej aniżeli Słońce. Wiele analiz definiuje prawdopodobieństwo występowania tam czarnej dziury na 95%. W układzie tym obiekty kręcą się na około co 5,6 dnia. Czarna dziura ściąga gaz z atmosfery gwiazdy olbrzyma. Temperatura gazu w zewnętrznych częściach dysku równa jest kilkadziesiąt tysięcy stopni, w czasie kiedy w wewnętrznych prawie 10 milionów stopni. Całkowita jasność rentgenowska przekracza parę tysięcy razy jasność Słońca (we wszelkich zakresach widma). Wewnętrzny dysk posiada średnicę prawie dwieście km, czarna dziura trzydzieści km. Całe źródło jest umieszczone prawie sześć tys. lat świetlnych od naszej planety. Wykryto je w 1971 r. Od tamtego czasu odnaleziono prawie 20 tego typy źródeł. Do tej pory jednak jesteśmy ostrożni z wypowiadaniem się o Czarnych Dziurach, gdyż są one całkowicie inne aniżeli rzeczywistość, w której żyjemy.

Literatura:

1. Igor Nowikow - "Czarne Dziury i Wszechświat"

2. Stephen Hawking - "Krótka Historia Czasu"

3. Piotr Cieśliński - "Wielki darmowy obiad" Gazeta Wyborcza 15 maja 1999r.

4. E.M. Rogers - "Fizyka dla dociekliwych" Tom 1 i Tom 3

5. Paweł Krzysztof Fornalski "Czarne Dziury"

6. Internet