Wstęp

Czarne dziury są częścią działu fizyki zwanym Astronomią czyli nauką o wszystkich ciałach niebieskich. Astronomia jest ściśle związana z Astrofizyką. Powiązanie Astrofizyki I Astronomii to między innymi zastosowanie praw fizycznych do interpretowania zaobserwowanych zjawisk astronomicznych. W pracy przedstawiłem genezę powstawania czarnych dziur. Zająłem się również ich budową, działaniem oraz znaczeniem. W referacie starałem się umieścić tylko najciekawsze i najbardziej wartościowsze informacje dotyczące opisywanych zjawisk i ciał niebieskich. Po zasadniczej części referatu nastąpi podsumowanie i zakończenie opisywanej części działu fizyki.

Astronomia

Jest to nauka o ciałach niebieskich, ich budowie, ruchach, pochodzeniu i ewolucji oraz o materii rozproszonej w przestrzeni kosmicznej (zwanej też kosmosem). Astronomia, a ściślej jej dział zwany kosmologią, zajmuje się także Wszechświatem jako całością. Astronomię można inaczej określić jako naukę o wszelkich obiektach i zjawiskach znajdujących się poza Ziemią. Dzisiejsza astronomia jest ściśle związana z astrofizyką, która jest zastosowaniem praw fizyki do interpretacji wyników obserwacji astronomicznych. Związek ten jest tak głęboki, że dziś obie dziedziny są właściwie jednością. Mógł on powstać dzięki odkryciu, że ciała niebieskie składają się z takiej samej materii, jak wszystkie inne otaczające nas obiekty. Obiekty, którymi zajmuje się astronomia, to ogół ciał niebieskich: planety, księżyce, planetoidy, gwiazdy, gwiazdozbiory, asocjacje gwiazdowe, gromady gwiazd, galaktyki, mgławice, gromady galaktyk, materia międzygwiazdowa, gaz międzygalaktyczny, materia egzotyczna, antymateria, materia ciemna, kwazary, czarne dziury i wiele innych. Astronomia zajmuje się badaniem procesów dotyczących tych ciał.

Czym jest czarna dziura ?

Czarna dziura jest tworem grawitacji, której podlegają zarówno cząstki o małych, jak i o dużych masach, a nawet światło. Największe i najjaśniejsze ciała mogą być niewidoczne, ponieważ przyciąganie jasnej gwiazdy o tej samej gęstości co Ziemia i średnicy 250 razy większej od Słońca, nie pozwoliłaby żadnemu promieniowi do nas dotrzeć. Prędkość ucieczki dla Ziemi wynosi 11,2 km/s, a zależy ona rozmiarów i masy obiektu, który ciało chce opuścić. Jeśli prędkość ucieczki przekraczałaby prędkość światła, światło takiej gwiazdy nie byłoby w stanie do nas dotrzeć.

W ramach fizyki klasycznej żaden rodzaj energii ani materii nie może opuścić czarnej dziury, jednak uwzględniając efekty kwantowe postuluje się istnienie zjawiska zwanego parowaniem czarnych dziur. Granica, po przejściu której nie jest możliwe wyrwanie się z pola grawitacyjnego czarnej dziury, nazywana jest horyzontem zdarzeń. Ma ona kształt sfery o wielkości wyznaczonej przez promień Schwarzschilda. Nie jest to powierzchnia tego obiektu, która może znajdować się wielokrotnie bliżej centrum geometrycznego układu.

Czarne dziury to podstawowe składniki bardziej złożonych obiektów astronomicznych, takich jak niektóre rentgenowskie układy podwójne, rozbłyski gamma oraz aktywne galaktyki. Czarna dziura będąca składnikiem układu podwójnego jest widoczna, ponieważ materia z drugiej gwiazdy wsysana do wnętrza czarnej dziury tworzy dysk akrecyjny generujący ogromne ilości promieniowania na skutek tarcia, jonizacji i silnego przyspieszenia podczas zbliżania się do czarnej dziury.

Powstanie czarnej dziury

Czarne dziury powstają w wyniku zapadania grawitacyjnego ciał o dostatecznie dużej masie i gęstości, takich jak Czerwony Nadolbrzym. Mogą one stanowić (oprócz białych karłów i gwiazd neutronowych) końcowy produkt ewolucji gwiazd. Gdy gwiazda jest u schyłku życia i zaczyna kończyć się wodór, rozpoczyna się jej agonia, w jej jądrze siły grawitacji wytwarzają temperaturę rzędu miliarda stopni Celsjusza. Wpierw zużywany jest hel, a następnie kolejne, coraz cięższe pierwiastki. W momencie, gdy gwiazda zaczyna zużywać żelazo, potrzebne jest dostarczenie energii z zewnątrz. Sama gwiazda zaś nie produkuje nadwyżki energetycznej, przez co nie jest już w stanie wytworzyć dość energii, aby przeciwdziałać zapadaniu się pod wpływem własnej grawitacji. W końcu gwiazda imploduje, po czym w ogromnej eksplozji zamienia się w Supernową. To co zostaje to gęsta powłoka podatomowych cząsteczek, gwiazda neutronowa, mająca zaledwie 16km średnicy. Sama jest tak gęsta, że łyżeczka jej materii w warunkach ziemskich ważyłaby miliard ton. W końcu siła grawitacji będzie tak wielka, że same neutrony ulegną zniszczeniu i nic już nie powstrzyma jej zapadnięcia się. Wtedy rodzi się czarna dziura- milion razy cięższa od Ziemi, ale tak ściśnięta, że dosłownie znika z naszego wszechświata.

Długość życia czarnych dziur

Nie wiadomo zbyt dużo co się dzieje z czarną dziurą, gdy wskutek promieniowania jej masa stanie się bardzo mała. Wiemy, że im mniejsza masa czarnej dziury, tym większa jest jej temperatura, więc i natężenie promieniowania. Należy zatem przypuszczać, że czarna dziura po prostu znika w ogromnym wybuchu promieniowania. Czarne dziury mające masę równą kilku masom Słońca, a więc te powstające wskutek grawitacyjnego zapadania się gwiazd, mają temperaturę rzędu zaledwie jednej dziesięciomilionowej kelwina. Temperatura promieniowania reliktowego wypełniającego Wszechświat wynosi ok 2.7 K, więc takie czarne dziury więcej promieniowania absorbują niż emitują; są więc narazie stabilne. Jednak jeżeli wszechświat będzie się wiecznie rozszerzał, temperatura promieniowania spadnie w końcu poniżej temperatury czarnej dziury i zacznie ona tracić masę. Taki proces trwałby jednak ok. 10⁶⁶ lat. To znacznie więcej niż wiek Wszechświata wynoszący ok. 10¹⁰ lat. Być może kiedy zostanie uruchomiony LHC, będziemy mieli możliwość „wyprodukowania” czarnej dziury i zbadania produktów jej rozpadu. Wtedy dowiemy się więcej o czarnych dziurach, ich własnościach, oraz w jaki sposób umierają.

Działanie czarnej dziury

Jej działanie można przedstawić najprościej na przykładzie ludzkim. Gdy zostaniemy wessani do wnętrza czarnej dziury wpierw nasze nogi zostaną bardziej przyciągane niżeli głowa, my sami czujemy, że coś nas rozrywa. Siły pływowe będą rosły, aż osiągną punkt, w którym rozerwą wiązania spajające cząsteczki naszego ciała. Można to porównać do ruchu pasty w tubce. W końcu nasze ciało zostanie rozerwanie do najmniejszej postaci

Jak zlokalizować czarną dziurę

Aby wykryć czarną dziurę wśród wygasłych gwiazd należy wykazać, że masa niewidocznego składnika przekracza wartość krytyczną. Jeśli tak jest i wynosi ona np. 5 mas Słońca, może to być tylko czarna dziura. Metoda ta nie jest jednak skuteczna. W trakcie ewolucji gaz przepływa z początkowo masywniejszego składnika do mniej masywnego, w efekcie czego widoczna gwiazda ma ostatecznie większą masę od nowo powstałej czarnej dziury. Należało więc ustalić, czy istnieje zjawisko, w którym czarna dziura odgrywałaby aktywną i jednoznaczną rolę. W przestrzeni międzygwiazdowej odkryto bardzo duże mgławice gazowe. Gdyby w takiej mgławicy znajdowała się czarna dziura, przyciągany przez nią gaz spadałby na nią, a w miarę spadania gazu w polu grawitacyjnym energia pola magnetycznego zamieniałaby się w ciepło. "Gorące" elektrony, które poruszają się w polu magnetycznym, wypromieniowują fale elektromagnetyczne, a promieniowanie częściowo zostaje złapane przez czarną dziurę. Większość energii rejestrowanej przez odległego obserwatora jest emitowana w odległości kilku promieni grawitacyjnych od jej środka. Na drodze ku czarnej dziurze gorący gaz wysyła w jej przestrzeń energię.

Jasność gazu spadającego na czarną dziurę jest raczej niewysoka. Jeśli wchodzi ona w skład ciasnego układu podwójnego, którego drugim składnikiem jest duża gwiazda (olbrzym), gaz z jego otoczki zacznie szybko spadać do czarnej dziury. Gaz w takim układzie podwójnym nie może jednak po prostu spaść na czarną dziurę ze względu na ruch orbitalny, przez który strumień gazu okrąża czarną dziurę i tworzy wokół niej dysk. Gaz ogrzany do temperatury 10 milionów stopni emituje promieniowanie rentgenowskie, przy czym niektóre z takich źródeł zmieniają okresowo swoją jasność mniej więcej co sekundę. Są to wirujące gwiazdy neutronowe obdarzone polem magnetycznym, którego bieguny nie pokrywają się z biegunami rotacji gwiazdy. Gaz spada wtedy na bieguny magnetyczne wzdłuż linii pola magnetycznego, a rotacja zmienia te obiekty w kręcące się rentgenowskie "latarnie morskie". Wynika z tego, że czarne dziury muszą znajdować się wśród nie pulsujących źródeł rentgenowskich w układach podwójnych.

Teoria Hawking’a

W 1974 roku Stephen Hawking udowodnił, że istnieje proces kwantowy, dzięki któremu czarna dziura ze swoim polem grawitacyjnym może stwarzać cząstki, co prowadzi do zmniejszenia jej masy i rozmiarów. Kiedy powstaje czarna dziura, wszystkie procesy na powierzchni zapadającej się gwiazdy ulegają spowolnieniu. Pole grawitacyjne staje się wszędzie stałe. Nie może ono stwarzać cząstek, więc podczas formowania się czarnej dziury zmienne pole produkuje pewną liczbę cząstek, ale ich strumień gwałtownie maleje. Kiedy promień powierzchni gwiazdy zbliży się do promienia grawitacyjnego, powinny ustać wszystkie procesy. Hawking wykazał, że takie rozumowanie jest błędne. Według niego strumień powstających cząstek nie zaniknie, lecz będzie utrzymywał stałą wartość nawet po powstaniu czarnej dziury. Wewnątrz czarnej dziury pole wcale nie ulega zamrożeniu.

Wszystko musi się tam poruszać, spadać ku środkowi. W warunkach normalnej próżni cząstki wirtualne tworzą żyjące przez krótki czas pary cząstka - antycząstka, które łączą się i znikają, a w polu grawitacyjnym czarnej dziury może się zdarzyć, że jedna z tych cząstek znajdzie się pod horyzontem, a druga pozostanie na zewnątrz. Ta ostatnia może oddalić się w przestrzeń i unieść część energii czarnej dziury, a więc i jej masy. Mamy do czynienia z kwantowym wypromieniowywaniem cząstek przez czarną dziurę. Jednak wpadające do czarnej dziury atomy rozrzedzonego gazu międzygwiazdowego i fotony promieniowania wypełniającego przestrzeń dostarczają dziurze o wiele więcej energii, niż traci ona w wyniku wspomnianego promieniowania. Dlatego czarne dziury nie kurczą się, lecz rosną. Im większa czarna dziura, tym niższa jest temperatura promieniowania. Czarne dziury powoli kurczą się w przestrzeni i czasie, przekształcając się w promieniowanie cieplne. Najważniejszym wnioskiem wynikającym z odkrycia Hawkinga jest odrzucenie wyobrażenia o wieczności czarnych dziur. Pewne problemy związane z procesem odkrytym przez Hawkinga nie zostały jeszcze wyjaśnione. Nie wiemy na przykład, czy czarna dziura znika zupełnie, czy też pozostaje po niej cząstka o masie równej tzw. masie Plancka.

Podsumowanie i Zakończenie

Podsumowując czarna dziura jest tworem grawitacji, której podlegają zarówno cząstki o małych, jak i o dużych masach, a nawet światło. Wieku czarnych dziur nie można jednoznacznie określić a ich działanie można porównać do ruchu pasty w tubce. Przygotowując referat wybrałem taki temat ponieważ od zawsze interesowało mnie w jaki sposób powstają i jak działają czarne dziury.

Pisząc ten referat dowiedziałem się wielu ciekawych rzeczy na temat budowy i powstania czarnych dziur. Szczególnie dużo wiedzy nabyłem na temat ewolucji tych ciał niebieskich. Moją największą uwagę zwróciło to że stosunkowo niedawno dowiedzieliśmy się istotnych rzeczy dotyczących czarnych dziur i innych ciał niebieskich oraz że nadal praktycznie nic o nich nie wiemy. Czeka nas ludzi jeszcze sporo pracy aby odkryć wszystkie tajemnice całego wszechświata.

Źródła

Grafika

• http://apod.oa.uj.edu.pl/apod/image/0501/ngc1300_hst_f.jpg

• http://www.grudziadz.planetarium.pl/images/m_31.jpg

• http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/eb/Stephen_Hawking.StarChild.jpg/167px-Stephen_Hawking.StarChild.jpg

• http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSmnvjN_vtuGEkRWw_Iuj95EgCs8lCXog7GuU2IziurxNhjZfgLiE-KwW6U

• http://6.s.dziennik.pl/pliki/2370000/2370640-slynna-czarna-dziura-zbadana-przez-643-482.jpg

Treść

• http://pl.wikipedia.org/wiki/Astronomia

• http://partnerzy.us.edu.pl/biuletyn/daneu/Dawid_Sojka-Czarna_dziura-sfera_hipotez_czy_realne_zagrozenie.pdf

• http://www.astronomia.biz.pl/czarnedziury.html

• http://pl.wikipedia.org/wiki/Czarna_dziura

• http://wwwnt.if.pwr.wroc.pl/kwazar/rokfizyki2005/146132/dziury.html

1. Wstęp

2. Astronomia

3. Czym jest czarna dziura ?

4. Powstanie czarnej dziury

5. Długość życia czarnych dziur

6. Działanie czarnej dziury

7. Jak zlokalizować czarną dziurę

8. Teoria Hawking’a

9. Podsumowanie i Zakończenie

10. Źródła