Paweł Boroń

Bibliografia:

1. Harold Lesch, Jorn Muller „Nasz Wszechświat” Świat Książki Warszawa 2004.

2. Internet: www.astro.uni.pl, www.v-lo.krakow.pl.

Gimnazjum nr 1 w Skale

ul. Ks. Stanisława Połetka 32

32-043 Skała

tel. [phone]

Nauczyciel: Justyna Smalec

Spis treści:

1. Powstawanie czarnej dziury...................................................srt.3

2. Co dzieje się we wnętrzu czarnych dziur?.............................str.5

3. Czy odkryto jakąś czarną dziurę?...........................................str.6

4. Nowinki astronomiczne..........................................................str.8

1. Powstawanie czarnej dziury.

Termin czarna dziura powstał bardzo niedawno. Wprowadził go w 1969 amerykański uczony John Wheeler .

W ewolucji gwiazd czarne dziury są właściwie czymś normalnym, na ich bowiem, kończy się życie masywnych gwiazd: to w gruncie rzeczy martwe, wypalone gwiezdne szczątki. Chodzi tu o szczątki bardzo specyficzne, ponieważ nie da się ich zobaczyć. Są to obiekty, z których nic nie zdoła uciec, zatem o ich wnętrzu nie wiemy dosłownie niczego. Tych przedziwnych obiektów nie może opuścić nawet światło, dlatego właśnie są czarne. Takie ciała niebieskie powstają wtedy, gdy gwiazdy pod koniec swego istnienia nie mogą już produkować energii w reakcjach termo jądrowych i zaczynają się zapadać pod ciężarem własnej masy. Czarne dziury to szczątki gwiazd tak masywnych, że tworząca je materia nie mogła przeciwstawić własnemu ciężarowi żadnej stabilizującej siły. Gwiazdy te zapadły się więc, pod wpływem swej siły ciężkości.

Aby lepiej pojąć naturę czarnej dziury, musimy najpierw dobrze zrozumieć działanie owej siły. Masywne ciało, na przykład Ziemia, przyciąga do siebie wszystkie inne ciała. Piłka, rzucona do góry, spada z powrotem. Poleci tym wyżej, im silniej ją rzucimy. Dla każdego ciała istnieje określona prędkość, przy której może wyzwolić się z wpływu siły ciężkości przyciągającego je ciała, mianowicie druga prędkość kosmiczna. Wyobraźmy sobie, że siła ciężkości planety działająca na piłkę funkcjonuje jak przywiązana do niej gumowa nić.

Piłka może taką gumę tylko zerwać i dopiero wtedy, gdy ma odpowiednią prędkość, umknie jej sile przyciągania. Tak samo piłka musi przezwyciężyć siłę przyciągania planety, jeśli chce na zawsze ją opuścić.

Pod wpływem dużej prędkości

gumowa nić pęka a piłka opuszcza ziemię.

Druga prędkość kosmiczna zależy od stosunku masy ciała do jego promienia. Im masywne ciało jest mniejsze, tym większa musi być prędkość ucieczki.
Zagłębmy się teraz w powstawanie gwiazdy, która po swojej „śmierci'' staje się czarną dziurą. Gwiazda to ciało niebieskie powstające w równowadze z dwiema siłami. Z jednej strony jest to prowadząca do powstania gwiazdy siła przyciągania, odpowiedzialna za to, że rozległy, rzadki gazowy obłok zmienia się w gwiazdę. Siła ta ściąga w jedno miejsce materie rozproszoną w przestrzeni kosmicznej. Gdy jednak gęstość kurczącego się obłoku staje się dostatecznie duża, powstaje siła przeciwstawiająca się sile przyciągania, a mianowicie ciśnienie gazu. Ciśnienie to rośnie wraz ze wzrostem gęstości gazu jego temperatury.

Siła przyciągania czyni swego przeciwnika tym silniejszym, im bardziej zwiększa w skutek swego działania gęstość gazu. Jego cząsteczki zderzają się ze sobą i gaz staje się coraz gorętszy. Gaz ten, a we Wszechświecie jest to niemal wyłącznie wodór, przekształca się w plazmę. Gdy siła przyciągania skupia i ściska materię coraz bardziej wtedy pojawia się kolejny przeciwnik ciśnienie promieniowania. Przy pewnej temperaturze i gęstości jądra atomów wodoru, czyli protony, łączą się, tworząc jądra helu. Powstaje wtedy promieniowanie gamma, które rozgrzewa otoczenie.

W końcu jednak łańcuch przemian jądrowych ulega przerwaniu. Podstawowe źródło energii wygasa, a potęga siły przyciągania ujawnia się w całej pełni. Materia gwiazdy zostaje jeszcze bardziej ściśnięta co, wyzwala kolejną siłę tak zwane ciśnienie zdegradowanego gazu elektronowego, jest to kolejny przeciwnik siły przyciągania.

Ciśnienie zdegradowanego gazu elektronowego jest niezależne od temperatury, zależy tylko od gęstości materii. Materia upakowana tak gęsto, że występuje w niej ciśnienie gazu zdegradowanego nosi w fizyce nazwę zdegradowanej. Materia zdegradowana może być zupełni lodowata, a mimo to wytwarza olbrzymie ciśnienie. Aby gwiazda mogła zostać czarną dziurą jej masa musi być około 2,9 razy większa od Słońca. Gdy gwiazda osiągnie taką masę wówczas siła ciężkości osiąga swój cel i zgniata całą materię w gwiazdową czarną dziurę.

Dla każdej masy można obliczyć promień, przy którym zmienia się ona w czarną dziurę.

Promień ten określa się mianem promienia Schwarzschilda, na cześć Karola Schwarzschilda, pierwszego fizyka, który wyprowadził tę wielkość z ogólnej teorii względności. O wnętrzu czarnych dziur nie wiemy nic więcej.

Prześledźmy teraz proces powstawania czarnej dziury na poniższym rysunku i zastosujmy prawo powszechnego ciążenia Newtona.

Na powierzchni zapadającej się gwiazdy o masie M (większej niż 3 M_sł) siła grawitacji wynosi GMm/R², gdzie G to stała grawitacyjna, M - masa gwiazdy, m - masa ciała na powierzchni gwiazdy, R - promień gwiazdy. Dlaczego promień gwiazdy występuje w tej zależności skoro ciała stykają się (rys. 1a), a we wzorze Newtona występuje R jako odległość? Otóż dlatego, że gwiazda ma swoją rozciągłość, a Newton jako pierwszy pokazał, że siła na powierzchni ciała kulistego o masie M i promieniu R jest równa sile, jaką w odległości R wywierałaby masa M umieszczona cała w środku tej kuli. Możemy więc wyobrazić sobie masę M i m jako dwa punkty oddalone od siebie o R (rys 1b).

Początek formularza

Dół formularza

Gdy gwiazda samoistnie zaczyna zapadać się, zmniejsza się jej promień (R), czyli siła grawitacji na jej powierzchni wzrasta, bo R znajduje się w mianowniku. Jak wynika z obliczeń dla pewnego R granicznego (R_g) siła ta jest tak duża, że nawet światło nie jest w stanie opuścić powierzchni gwiazdy. Wtedy to staje się ona czarną dziurą. Cała mieści się pod sferą o promieniu R_g (rys.2 powyżej). Ta sfera nosi nazwę horyzontu zdarzeń, a promień tej sfery czyli promień graniczny - to promień Schwarzschilda.

Wzór na promień Schwarzschilda:

Początek formularza

Dół formularza

gdzie: R_g - promień Schwarzschilda, M - masa ciała, G - stała grawitacji, c - prędkość światła.

Dla przykładu, gdyby gwiazda o masie 10 mas Słońca miała być czarną dziurą, to miałaby promień 15 km (średnicę 30 km). Natomiast czarna dziura o masie Słońca miałaby promień równy 1,5 km (średnicę 3 km). A z naszej Ziemii byłaby czarna dziura o średnicy 3 cm.

Czarne dziury są normalnym końcowym stadium ewolucji bardzo masywnych gwiazd, których wygasłych szczątków nic nie może uchronić przed całkowitym zapadnięciem. Zakłada się, że dotychczas w każdej galaktyce tylko jeden procent gwiazd zapadł się grawitacyjnie, zmieniając w czarne dziury.

Ryc.2 Ogromna czarna dziura

2. Co dzieje się we wnętrzu czarnych dziur?

Na to pytanie kosmolodzy od dawna szukają odpowiedzi. Jak już wcześniej napisałem z czarnej dziury nie może się nic wydostać, więc nie możemy tam dotrzeć.

Jednak OTW przewiduje, że proces samozapadania kontynuowany jest dalej, aż do osiągnięcia osobliwości - punktu o zerowej objętości, nieskończonej gęstości materii i nieskończonym zakrzywieniu czasoprzestrzeni. Istnienie takiego punktu jest niezgodne z kwantową zasadą nieoznaczoności, poza tym pojawienie się wartości nieskończonych to alarm dla każdej teorii. A więc uważa się powszechnie, że w osobliwościach OTW załamuje się i potrzebna jest jeszcze pełniejsza teoria - kwantowa grawitacja, która pokaże do jakiego „skończonego” obiektu zapada się czarna dziura. Na dzień dzisiejszy teorii kwantowej grawitacji nie ma.

Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki entropia całego Wszechświata nie maleje. Gdybyśmy przyjęli, że czarne dziury, będące częścią Wszechświata, mają zerową entropię, to moglibyśmy bezkarnie wrzucać do nich różne przedmioty o niezerowej temperaturze (z którymi zawsze związana jest niezerowa entropia). Co okazałoby się? Otóż entropia dodatnia przedmiotu zerowałaby się, czyli entropia Wszechświata malałaby. Jest to problem, bo otrzymalibyśmy niezgodność z II zasadą termodynamiki.

Problem ten da się rozwiązać przy założeniu, że czarna dziura ma niezerową entropię. Gdy wrzucamy do niej przedmiot niosący entropię, to jej masa wzrasta. Jej entropia też powinna wzrosnąć. A więc należy podejrzewać zależność pomiędzy masą czarnej dziury, a jej entropią. A do masy proporcjonalny jest promień Schwalschilda, czyli także horyzont zdarzeń. Tak rozumował Jacob Beckenstein, który jako pierwszy postulował, że czarna dziura ma entropię i jest ona proporcjonalna do powierzchni jej horyzontu zdarzeń. Ścisły wzór na entropię czarnej dziury wyprowadził w 1974 roku Stephen Hawking:

Początek formularza

Dół formularza

gdzie: A - powierzchnia horyzontu zdarzeń czarnej dziury, k - stała Boltzmana, c - prędkość światła, ħ - stała Plancka/2Π, G - stała grawitacyjna.

Było tylko jedno „ale”. Jak głosi termodynamika, ciało o niezerowej entropii ma niezerową temperaturę. A jeśli tak, to musi ono promieniować. Nie byłoby w tym nic dziwnego, ale czarna dziura z definicji nie może promieniować, bo nic się z niej nie wydostaje. Na pomoc przyszły jednak fluktuacje pól kwantowych. W pobliżu horyzontu zdarzeń (po jego zewnętrznej stronie), w wyniku owych fluktuacji powstają pary cząstek wirtualnych. Jedna ma energię ujemną, druga dodatnią. W silnym polu grawitacyjnym czarnej dziury cząstka o energii ujemnej może stać się rzeczywistą. Wtedy to nie musi anihilować z drugą i ta może odlecieć w przestrzeń kosmiczną stając się częścią promieniowania czarnej dziury. Z obliczeń wynika, że temperatura czarnej dziury o masie kilku mas Słońca wynosi kilka dziesięciomilionowych stopnia K, czyli jest bardzo nikła. Im większą czarna dziura ma masę, tym niższą ma temperaturę. Ścisłą zależność przedstawia poniższy wzór:

Początek formularza

Dół formularza

gdzie: T - temperatura czarnej dziury, k - stała Boltzmana, c - prędkość światła, ħ - stała Plancka/2Π, G - stała grawitacyjna, M - masa czarnej dziury.

3. Czy odkryto jakąś czarną dziur?

Sam Albert Einstein był bardzo sceptycznie nastawiony do możliwości istnienia tych obiektów. Zgadzał się, że wynikają one z OTW, ale podejrzewał, że są to jej puste rozwiązania, czyli nie są w przyrodzie realizowane.

Ostatnie lata pokazały jednak, że Einstein był zbyt sceptyczny. Dotychczas odkryto kilka prawie pewnych czarnych dziur, np.: Cygnus X-1, A0620-00 Monoceros, V-404 Cygni, Nova Sco 1994. Zebrano też mocne dowody na istnienie supermasywnych czarnych dziur w centrach takich galaktyk jak M87 (czarna dziura o masie 2-3 miliarda M_Sł), M31 - Andromeda (o masie 6 milionów M_Sł), M32 i nasza galaktyka (o masie 3 milionów M_Sł).

Jak tego dokonano? Przecież czarne dziury z definicji są zupełnie niewidoczne. Otóż sprawa i tym razem nie przedstawia się beznadziejnie. Istnieje wiele dowodów pośrednich na ich istnienie, czyli dowodów, które nie są zdjęciem czarnej dziury, ale obrazem tego jak jej obecność wpływa na jej otoczenie (a analiza tego wpływu jednoznacznie na nią wskazuje). Są to np.:

•         wpływanie za pomocą swojej grawitacji na ruch innych ciał, np. w układzie podwójnym z widoczną gwiazdą. Analiza toru ruchu widocznej gwiazdy i jej prędkości pozwala ustalić położenie i masę czarnej dziury. Jeśli z obliczeń wynika, że druga gwiazda ma masę powyżej 3 M_Sł, a pozostaje zupełnie niewidoczna, to jest to czarna dziura.

•         materia spadająca na czarną dziurę tworzy dysk akrecyjny, w którym cząstki wskutek wzrostu swojej energii kinetycznej kosztem grawitacyjnej energii potencjalnej, rozgrzewają się tak mocno, że emitują promieniowanie rentgenowskie. Nie pochodzi ono oczywiście z wnętrza czarnej dziury, ale z jej pogranicza i można dokonywać jego detekcji.

•         czarna dziura może znaleźć się pomiędzy Ziemią i obserwowaną gwiazdą lub galaktyką. Działa wtedy jak niewidoczna soczewka grawitacyjna i dokonuje zwielokrotnienia obrazu obiektu obserwowanego przez silne zakrzywienie torów biegnących do nas promieni świetlnych.

Galaktyka Centaurus A jest podejrzana o posiadanie w swoim centrum supermasywnej czarnej dziury. Efektem jej istnienia jest bardzo wysoka aktywność radiowa i rentgenowska galaktyki. Zdjęcie powyżej przedstawia powiększenie samego centrum galaktyki. Jasny obiekt po prawej stronie to prawdopodobnie dysk akrecyjny złożony z gazu otaczającego czarną dziurę.	Zdjęcie przedstawia w górnym rogu galaktykę Centaurus A, po prawej obraz wykonany przez teleskop Hubble'a.

Obraz przedstawia: po lewej stronie zdjęcie galaktyki   NGC 7052 wykonane z teleskopu naziemnego. Po prawej wykonano powiększenie centrum galaktyki za pomocą teleskopu Hubble'a. Widoczny jest dysk akrecyjny otaczający prawdopodobnie supermasywną czarną dziurę.	Wizja artysty przedstawiająca widok z planety krążącej wokół czarnej dziury. Czarny pas to dysk akrecyjny otaczający czarna dziurę. Prostopadłe smugi do dysku to tzw. dżety. Są to wyrzuty wysoko energetycznych cząstek. Czerwona poświata to zjonizowany gaz na skutek tarcia wywołanego akrecją na czarną dziurę.

4. Nowinki astronomiczne.

Międzynarodowy zespół astronomów twierdzi, że zaobserwował zjawisko "wyciekania" energii z supermasywnej czarnej dziury. I choć nie wszyscy do końca w to wierzą, pozostawałoby to w zgodzie z teoretyczną przepowiednią sprzed pół wieku.

Obserwacje dotyczą odległej o 100 milionów lat świetlnych galaktyki spiralnej MCG-6-30-15, w której centrum znajduje się supermasywna czarna dziura, skupiająca masę miliardy razy większą od masy Słońca. Materia galaktyki wpada do czarnej dziury poprzez wirujący wokół niej dysk akrecyjny. Trąc o siebie w dysku, cząstki materii rozgrzewają się do wysokiej temperatury - tym wyższej, im bliżej wewnętrznej jego krawędzi. Za nią jest już tylko wsysająca wszystko czarna dziura. Rozgrzany gaz w pobliżu wewnętrznego skraju dysku akrecyjnego emituje promieniowanie rentgenowskie, które może sporo powiedzieć o warunkach tam panujących. Astronomowie wykorzystali do badania tego promieniowania satelitę rentgenowskiego XMM-Newton, który krąży po wydłużonej orbicie okołoziemskiej od grudnia 1999 r., wystrzelony przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) (o satelicie i jego odkryciach pisaliśmy już w tekście M81 okiem XMM-Newtona). Okazało się, że w obserwowanym widmie występuje zadziwiająca linia zjonizowanego żelaza, która może świadczyć o tym, iż gaz w dysku akrecyjnym rozgrzewa się nie tylko na skutek tarcia o siebie, ale także... za sprawą energii pozyskiwanej z czarnej dziury. Mechanizm taki sugerowali - na podstawie rozważań teoretycznych - jakieś 25 lat temu Roger Blandford i Roman Znajek.
Szeroka linia emisyjna żelaza, dostrzeżona po raz pierwszy w 1995 r. przez innego satelitę rentgenowskiego, a teraz zaobserwowana ze wszystkimi szczegółami przez XXM-Newtona, tworzy się w najbardziej wewnętrznych częściach dysku akrecyjnego wokół supermasywnej czarnej dziury. By jednak wytłumaczyć jej kształt, należy przyjąć, że składające się na tą linię fotony mają energie przewyższające te, które są możliwe do uzyskania w wyniku procesów podgrzewania dysku przez tarcie. W ten oto obrazowy sposób tłumaczy to zjawisko Jörn Wilms z Instytutu Astronomii i Astrofizyki Uniwersytety w Tybindze, kierujący międzynarodowym zespołem badaczy: "Wyobraźmy sobie gumową piłeczkę, którą odbijamy od podłogi. Wiemy, z czego zrobione są i piłeczka, i podłoga, więc oczekujemy, że w określonym czasie po odbiciu piłeczka powróci do naszej dłoni. Tymczasem czyni to ona znacznie szybciej, jakby coś dodatkowo "popchnęło" ją w naszym kierunku. Tak właśnie zachowują się fotony linii żelaza w widmie MCG-6-30-15".

Ażeby wyjaśnić wynik obserwacji, astronomowie zaproponowali, że owa dodatkowa energia pochodzi od czarnej dziury. Według ich modelu, mamy tutaj do czynienia z wirującą wokół własnej osi czarną dziurą, która jest obdarzona silnym polem magnetycznym. Pole to oddziałuje z plazmą dysku akrecyjnego, w wyniku czego część energii rotacji czarnej dziury jest przechwytywana przez dysk. Innymi słowy, czarna dziura stała się źródłem energii, a nie tylko bezdenną otchłanią, do której wszystko wpada, a z której nic, nawet energia, nie może uciec.

Jeśli taka interpretacja danych obserwacyjnych zostanie zaakceptowana, po raz pierwszy będziemy mieli obserwacyjnie potwierdzony przypadek przejęcia części energii z czarnej dziury przez świat zewnętrzny. Ale choć praca na ten temat jeszcze nie została opublikowana (ukaże się w "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society"), już teraz jej wnioski wywołały dyskusję. Są tacy, którzy sądzą, że taki, a nie inny wygląd linii żelaza da się wyjaśnić w odmienny sposób.

Amerykańscy i europejscy astronomowie zaobserwowali zjawisko, które potwierdza, że gwiazda może zostać wchłonięta przez kosmiczny fenomen zwany czarną dziurą. W obserwatoriach należących do NASA i Europejskiej Agencji Kosmicznej śledzono, jak część gwiazdy została wchłonięta przez pole grawitacyjne o takiej masie, że nie może z niego uciec ani promieniowanie, ani materia.

Przy użyciu promieni Rentgena astronomom ukazała się gwiazda wielkości Słońca, która uniknąwszy zderzenia z inną gwiazdą, zbliżyła się do czarnej dziury.

Gwiazda została rozciągnięta przez siłę grawitacyjną i pewna część jej masy została wchłonięta. Reszta oderwała się i poleciała w przestrzeń kosmiczną.

Ta czarna dziura znajduje się w centrum galaktyki znanej jako RX J1242-11 i szacuje się, że jej masa jest sto milionów razy większa od słońca. Galaktyka RX J1242-11 położona jest około700 milionów lat świetlnych od Ziemi.

9

Paweł Boroń kl. 3c

---