Określenie "czarna dziura" utworzone zostało całkiem niedawno. Wprowadzono go w 1969 roku przez amerykańskiego uczonego John Wheeler. Pomysł czarnych dziur pojawił się około 200 lat wcześniej. Pierwszą osobą, która mówiła o występowaniu ich był w roku 1783 John Michell oraz prawie równocześnie Pierre Simone de Laplace. Pokazali oni, iż ciało niebieskie o dostatecznie ogromnej masie oraz gęstości produkowały tak mocne pole grawitacyjne, że światło nie było by w stanie się oddalić. Mimo tego, że nie bylibyśmy w stanie zobaczyć ich świata bylibyśmy w stanie je odkryć na skutek ich przyciągania grawitacyjnego. Dla nich czarne dziury były tylko nie świecącymi ciałami niebieskim. Nie wiedzieli oni, iż nic nie może się przemieszczać szybciej aniżeli światło. Według teorii Newtona siła przyciągania grawitacyjnego jest wprost proporcjonalna do iloczynu mas obydwu ciał oraz odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości. Weźmy pod uwagę sytuację, w której zmniejszony zostanie promień. Wtedy g na powierzchni wzrośnie (odległość od wewnątrz malała). Na podstawie teorii Newtona pomniejszenie promienia dwa razy zwiększy grawitacje cztery razy, według Einsteina jeszcze bardziej! Ma to sens, w momencie gdy ciało niebieskie zostanie ściśnięte tak bardzo, iż siła grawitacji będzie super silna- wówczas różnica pomiędzy dwoma teoriami będzie bardzo duża. Pierwsza zakłada, iż siła będzie dążyła do nieskończoności, w momencie gdy promień będzie dążyć do zera, druga, w momencie gdy staje się równy tzw. promieniowi grawitacyjnemu. Wielkość tego promienia zdefiniowana jest przez masę ciała. Dla naszej planety promień grawitacyjny wynosi 1 cm, natomiast dla Słońca 1 km!

W zgodzie z Teorią Względności światło nie może opuścić powierzchni ciała o promieniu mniejszym od promienia grawitacyjnego. Nie jest to jedna tylko niezwykłość. Siła grawitacji na powierzchni ciała niebieskiego o promieniu równym promieniowi grawitacyjnemu jest nieskończona- przyspieszenie swobodnego upadku jest nieskończenie duże. Na ogół planety oraz ciała niebieskie nie zostają ściśnięte do rozmiaru punktu, gdyż siły ciśnienia oraz sprężystości równoważą zapadanie się grawitacyjne. Ciśnienie uzależnienie od stanu materii. Materia zmuszona jest do swobodnego upadku na promień grawitacyjny nie może zatrzymać się na powierzchni Schwarzschilda (zewnętrzne pole grawitacyjne na około promienia grawitacyjnego zdefiniowane w ten sposób na cześć fizyka, któremu pierwszemu udało się rozwiązać równanie Einsteina), gdyż podlegałoby nieskończonym siłom grawitacji. Cokolwiek, jeśli będzie poniżej promienia grawitacyjnego musi upaść do wewnątrz. Spowoduje to katastroficzne, niepohamowane zapadanie się aż do osobliwości, nazwane kolapsem relatywistycznym. Wystarczy, więc ścisnąć ciało do rozmiaru, który będzie odpowiadał promieniowi grawitacyjnemu, aby próżniejsze zapadanie dokonywało się samoczynnie.

WŁASNOŚCI CZARNEJ DZIURY

Teoria Względności założyła, iż im bliżej albo im większa masa ciała tym czas niedaleko niej płynie wolniej. Niedaleko czarnej dziury czas płynie bardzo powoli, aby w końcu już na jej horyzoncie zwolnić nieskończenie. Osoba która obserwuje np. kamień upadający na czarna dziurę zauważyć możemy hamowanie niedaleko niej oraz w końcu zamarcie przy jej granicy. Tak samo osoba obserwująca zaobserwuje zapadanie się gazu ciała niebieskiego dostrzeże zjawisko po nieskończenie długim czasie. Nie znaczy to jednak kontemplowania jednakowego obrazu przez cały czas, gdyż światło wysyłane przez ciało niedaleko masy czerwienieje (maleje jego częstość). Gdy będziemy obserwować kamień upadający do czarnej dziury zauważymy jego obraz coraz bardziej poczerwiany (przesunięte widmo). Złączenie efektu Dopplera oraz dylatacji czasu sprawia, iż obszar zapadającego się ciała niebieskiego niedaleko sfery Schwarzschilda jest niewidoczny. Także radar nie może odkryć czarnej dziury.

Ciała przemieszczające się niedaleko czarne dziury posiadają pewne ograniczenia. W momencie gdy promień orbity będzie wynosił mniej aniżeli półtora promienia Schwarzschilda prędkość ucieczki wyrównują się prędkości światła. W odległości 3 promieni prędkość równa się około połowę prędkości światła. W ogromnej odległości ruch może zachodzić po paraboli oraz siła grawitacji jedynie odrobinę zakrzywi czasoprzestrzeń. Jeśli ruch paraboliczny zachodzi niedaleko podwojonego promienia, nawinie się on jak przędza na młotek i zamieni w orbitę kołową. Ciało będzie wtedy przechwycone przez czarną dziurę i nigdy się z niej już nie wydostanie. Sam fakt posiadania wystarczającej prędkości ucieczki nie jest ona wystarczająca. Konieczny jest dodatkowo konkretny tor ruchu, który utworzy charakterystyczny kąt z kierunkiem ku czarnej dziurze. Im dalej od czarnej dziury tym ten kąt jest mniejszy.

Niedaleko czarnej dziury dochodzi jeszcze do jednego bardzo ważnego procesu, który związany jest z falami grawitacyjnymi, których występowanie zakłada Teoria Względności. Według tej teorii takie fale muszą przypominać fale elektromagnetyczne. W normalnych warunkach ich energia jest bardzo mała. Na przykład ruch planet w Układzie Słonecznym generuje energię grawitacyjną, która ma moc rzędu około 100 żarówek. Gdy planety albo ciała niebieskie w układach podwójnych przemieszczają się po orbitach kołowych emitują fale grawitacyjne, które następnie są w stanie unieść energię. Na ogół straty tej energii są bardzo niewielkie. Ciała, które krążą po kołowych orbitach na około czarnych dziur wysyłają również fale grawitacyjne. Proces ten odbywa się od czasu, gdy promień orbity będzie malał do 3 promieni grawitacyjnych. Gdy osiągniemy tę odległość ciało dokonuje jeszcze kilku obiegów, wypromieniowuje jakąś ilość energii oraz wpada do czarnej dziury. Bieg ten na ogół odbywa się bardzo długo. Suma energii będzie, więc ogromna. Suma "wydalonej" energii wynosić będzie prawie 6% masy. Czarne dziury są w stanie być, więc źródłem energii. Do tej pory rozważaliśmy kłopot czarnych dziur, które utworzyły się poprzez zapadnięcie się idealnie sferycznych ciał niebieskich, które są nie poruszającymi się przed zapadnięciem. Załóżmy teraz, że ciało przed zapadnięciem nie było dokładnie okrągłe. Czy znaczy to, iż pole grawitacyjne także będzie spłaszczone? Więc udało się udowodnić, iż w takim przypadku promień będzie za duży i dlatego nie dojdzie do kolapsu. Problem w tym, iż w momencie gdy rozmiary ciała zbliżą się do promienia grawitacyjnego nastąpi bardzo intensywne wysyłanie fal grawitacyjnych a wobec tego wszystkie odstępstwa od dokładnie sferycznego kształtu są sprasowane oraz wypromieniowane. W pierwszych momencie po utworzeniu się czarna dziura jest spłaszczona oraz zniekształcona. Takiej formy nie może niestety bardzo długo zachować. Bardzo gwałtownie powraca ona do swojego sferycznego kształtu, następnie zbędne "detale" zostają wyemitowane w formie fal grawitacyjnych. O charakterze pola decyduje jedynie jeden parametr - masa produkującego je ciała. Czarne dziury są w stanie być przeróżnych rozmiarów, ale w sumie rzeczy różnią się jedynie masą. Wszystkie pola fizyczne w czasie kolapsu są wyemitowane, ale pole elektryczne nie zmienia się i ciągle otaczają czarną dziurę. Wszelkie czarne dziury jesteśmy w stanie zdefiniować jedynie dwoma parametrami - masą oraz ładunkiem elektrycznym. To tak jakby wszelkie kobiety zdefiniować można byłoby jedynie przez wagą oraz kolor włosów. Dziura posiada dokładnie kulisty kształt, dlatego mówi się, iż czarne dziury "nie posiadają włosów". Do tej pory zajmowaliśmy się "kulistymi czarnymi dziurami. Co się stanie w momencie, gdy ciało zapadające się będzie miało jakąś rotację? Teoria Względności zakład, iż pole grawitacyjne również wiruje. Rotacja trochę spłaszcza czarną dziurę, takie samo miejsce ma w przypadku naszej planety. Rotacja zmienia granice nieskończonej grawitacji. W statycznej czarnej dziurze orbita kołowa jest prawie co niemożliwa, ponieważ ma swoją niestabilność. Rotacja czarnej dziury ulega zmianie zatem w znacznym stopniu jej własności. Czarna dziura nie jest w stanie obracać się bardzo szybko. Jest tak dlatego, ponieważ w momencie gdyby ciało przemieszczało się z ogromną prędkością nie byłoby możliwości żeby powstała czarna dziura. Ciało przemieszczające się po orbicie kołowej na około czarnej dziury, która wiruje z największą możliwą prędkością wysyła w formie fal grawitacyjnych dwukrotnie więcej energii niż na ogół. Uwolnienie z rotującej czarnej dziury porównujący ze statyczną jest nierealne.

Czarna dziura jest obiektem, który ma przepaści bez dna. Są ciągle zwiększającymi się grawitacyjnymi otchłaniami.

Co będzie działo się z człowiekiem, który by wpadł do czarnej dziury? Czarna dziura rozerwie go na małe kawałeczki. Ewentualny czas życia w czarnej dziurze jest w przybliżeniu równy czasowi, jaki konieczny jest światłu by przemierzyć średnicę czarnej dziury. Nie odbywa się to bardzo długo, jeżeli weźmiemy pod uwagę rozmiar czarnej dziury. Rozerwanie nastąpi z powodu tzw. sił przypływowych. Jest to różnica siły wpływającej na głowę oraz stopy człowieka (albo innego ciała) jest nieskończona oraz rozrywa go na małe kawałki w czasie części stutysięcznych sekundy.

W roku 1974 Stephen Hawking dokonał bardzo ważnego odkrycia. Odkrycie to wpłynęło na lepsze zrozumienie świata. Wykazał on, iż są procesy na skutek których czarna dziura jest w stanie doprowadzić do utworzenia cząsteczek co następnie doprowadza do pomniejszenia masy oraz rozmiarów czarnej dziury. Na pierwszy rzut oka jest to nierealne. Rzecz polega na tym ,iż na zewnątrz czarnej dziury pole nie może być zamrożone, gdyż ciała koniecznie muszą upadać na czarną dziurę. Ponieważ próżnia tak na prawdę nie jest pusta. We wszystkich punktach przestrzeni, co chwilę tworzą się tzw. cząsteczki wirtualne. Mówiąc inaczej jest to para takiej samej cząsteczki oraz antycząstki. Ich suma energii wynosi zero. Może być również tak, że jedna z nich utworzy się za horyzontem natomiast druga przed. Pierwsza w związku z tym zostanie pochłonięta, natomiast druga np. będąca w ergosferze zostanie wyrzucona. Zatem mamy do czynienia z kwantowym wyemitowaniem energii. Z wyliczeń Hawkinga okazuje się, że dziura zachowuje temperaturę1/10 milionowego stopnia. Czarna dziura uzyskuje więcej energii na skutek połykania międzygwiezdnego pyłu oraz gazu. Wtedy maleje masa czarnej dziury jej temperatura rośnie natomiast proces parowania zostaje przyspieszony. Temperatura czarnej dziury o masie 1000 ton równa jest 1017. Parowanie zmienia się wtedy w eksplozje. Przeciętna "gwiazdowa" czarna dziura jest w stanie wyparować po 1066 lat. Czarna dziura produkuje nie tylko fotony, ale także inne cząsteczki. Im mniejsza masa tym cięższe cząsteczki czarna dziura jest w stanie wysyłać. Czarna dziura o masie typowego ciała niebieskiego wytwarza: neutrina (81%), fotony (17%) oraz grawitony (2%).

Podsumujmy teraz wszystkie informacje. Nie ma nic prostszego niż czarna dziura. Jej własności w momencie kolapsu ograniczone są jedynie do masy oraz ewentualnego pola elektrycznego czy rotacji. Wszelkie pozostałe własności są tracone, zanikają w momencie kolapsu. Dla osoby obserwującej nie mają one żadnego znaczenia. Analizy czarnej dziury poszerzają nasze wiadomości na temat czasu oraz przestrzeni. Ludzie ze swoją wyobraźnią nie są w stanie pojąć efektów jakie zachodzą w środku czarnej dziury. Jest ona więc pomimo swojej prostoty ogromnie skomplikowana.

NARODZINY CZARNEJ DZIURY. JEJ MIJSCE WE WSZECHŚWIECIE

Wcześniej już napisaliśmy, że ciśnienie gazów kompensuje grawitacyjne zapadanie się ciała niebieskiego. W miarę jak czas upływa zapas paliwa jądrowego w ciele niebieskim wyczerpuje się. Czas życia ciała niebieskiego uzależniona jest od długości spalania paliwa. Im większe ciało niebieskie tym więcej paliwa musi potrzeba zużyć aby mogło się utrzymać przy życiu. Ciała niebieskie, które posiadają masę zbliżoną do masy Słońca żyją ok. 10 miliardów lat. W momencie gdy kończy się paliwo ciało niebieskie dalej wyemituje paliwo oraz po woli się kurczy. Jeżeli masa nie przekroczy 1,2 masy Słońca, wówczas kurczenie ustaje, gdy jej promień zmniejszy się do kilku tysięcy kilometrów. Takie ciała niebieskie nazywa się wówczas "białymi karłami". Takie ciało niebieskie może dalej świecić aż wystygnie całkowicie.

Czarne dziury tworzą się nieuchronnie, w momencie gdy ciało niebieskie o ogromnej masie kończą swoja ewolucje.

Jak znaleźć czarna dziurę?

Odnalezienie czarnej dziury nie jest łatwe ze względu na jej absolutnie czarny charakter, niewielkie rozmiary oraz brak wysłania dużych ilości energii. Ale gaz, który spada na czarne dziury nie jest w stanie spadać po linii prostej, ciągle spada po spirali. Oddziaływanie pomiędzy spiralami gazu jest w stanie podnieść jego temperaturę nawet do 10 milionów stopni. Gaz podgrzany w ten sposób wysyła promieniowanie rentgenowskie. By zauważyć takie źródła konieczne jest wynieść ponad atmosferę specyficzne teleskopy. Po dokładnych analizach naukowcy doszli do wniosku, iż czarne dziury musza być pośród nie pulsujących źródeł rentgenowskich w układach podwójnych. Pamiętamy, iż najistotniejsza jest masa. Jeżeli masa martwego ciała niebieskiego przewyższa 2 masy słońca to musi to być czarna dziura!!!

Najbardziej wiarygodnym obiektem do tej pory jaki dało się odkryć jest źródło w gwiazdozbiorze Łabędzia. Źródło tego układu to ciało niebieskie ok. 20 razy większe niż Słońce. Wiele analiz definiuje prawdopodobieństwo występowania tam czarnej dziury na 95 %. W układzie tym obiekt kręci się, dookoła co 5,6 dnia. Czarna dziura ściąga gaz z atmosfery ciała niebieskiego zwanego olbrzymem. Temperatura gazu w zewnętrznych częściach dysku równa jest kilkadziesiąt tysięcy stopni, w czasie gdy w wewnętrznych ponad 10 milionów stopni. Wewnętrzny dysk posiada średnicę ok. 200 km, czarna dziura 30 km. Cale źródło ulokowane jest prawie 6 tysięcy lat świetlnych od naszej planety. Wykryto je całkiem niedawno, od tamtej pory odnaleziono ponad 20 takich samych źródeł. Ciągle jesteśmy jednak bardzo ostrożni z wypowiadaniem się o czarnych dziurach, gdyż są one całkowicie inne aniżeli rzeczywistość, która nas otacza...

PODSUMOWANIE...

Czarna dziura ( kollapsar) jest to obiekt astronomiczny, zwyrodniałe ciało niebieskie ( o masie większej trzykrotnie niż masa Słońce) albo jądro galaktyki, którego promień zrobił się mniejszy od pewnej granicznej wielkości nazwanej promieniem grawitacyjnym (albo promieniem Schwartzchilda). Wówczas pole grawitacyjne uzyskuje takie natężenie, iż światło nie może go opuścić. Czarna dziura jest, zatem obiektem, którego nie możemy zobaczyć. Nie znaczy to jednak, iż wyklucza się ewentualność obserwowania czarnej dziury. Czarne Dziury otoczone są dyskiem akreacyjnym, który jest ogromnym źródłem promieniowania. Czarna dziura przypuszczalnie wysyła cząsteczki na skutek efektu, Hawkinga. Ewentualne jest również oglądanie wtórnych efektów spowodowanych polem grawitacyjnym czarnej dziury, takich jak: perturbacje ruchu pozostałych ciał albo soczewkowanie grawitacyjne. Czarne Dziury są osobliwością w ujęciu ogólnej teorii względności (OTW), ich powierzchnia jest horyzontem zdarzeń. Jest także kila ciekawych zjawisk czasoprzestrzennych niedaleko czarnej dziury przewidywanych przez OTW. Aktualnie znaleziono kilka obiektów, co, do których nie wykluczone jest , iż posiadają czarne dziury (np. centrum Galaktyki M87). Niestety nie ma jednoznacznej ewidencji obserwacyjnej czarnej dziury.