fiz101

Jak powstaje czarna dziura i kłopoty z opisem jej własności.

Wyobraźmy sobie gwiazdę mającą masę dziesięć razy większą od masy słońca. Podczas niemal całego życia, trwającego około miliarda lat, wewnątrz gwiazdy trwa przemiana wodoru w hel, czemu towarzyszy produkcja energii. Wyzwolona energia sprawia, że ciśnienie wewnątrz gwiazdy równoważy siły grawitacyjne materii gwiezdnej. Dzięki temu powstaje obiekt o promieniu 5 razy większym niż promień Słońca. Prędkość ucieczki (druga prędkość kosmiczna) z takiej gwiazdy wynosi około 1000 km/s. To znaczy, że pole grawitacyjne gwiazdy może zmusić do powrotu obiekt wystrzelony z powierzchni gwiazdy pionowo do góry z prędkością mniejszą niż 1000 km/s.

Gdy gwiazda wyczerpie już zapas paliwa jądrowego, ciśnienie w jej wnętrzu spada i gwiazda zaczyna zapadać się pod własnym ciężarem. W miarę jak się kurczy, pole grawitacyjne na jej powierzchni staje się coraz silniejsze i tym samym wzrasta prędkość ucieczki. Gdy promień zmaleje do 30 km, prędkość ucieczki wynosi już 300000 km/s, czyli jest równa prędkości światła. Od tej chwili światło wypromieniowane z powierzchni gwiazdy nie może uciec do nieskończoności - pozostaje uwięzione w polu grawitacyjnym gwiazdy.

Wokół gwiazdy powstaje czarna dziura, czyli obszar czasoprzestrzeni, z którego nic nie może uciec do nieskończoności. Granicę czarnej dziury nazywamy horyzontem zdarzeń. Jest to powierzchnia frontu falowego światła gwiazdy, któremu niewiele zabrakło, żeby uciec do nieskończoności, lecz teraz pozostaje zawieszone nad czarną dziurą, w odległości równej promieniowi Schwarzschilda od jej środka: Rsch =    gdzie G - stała grawitacji, M

- masa gwiazdy, c - prędkość światła. Dla gwiazdy o masie M = ok. 10*Me, Rsch = ok.

30km. li <2 - iu SJoncot.

Mamy obecnie całkiem przekonujące dowody obserwacyjne, że czarne dziury o mniej więcej takiej masie występują w układach podwójnych.

W 1967 r. Jocelyn Bell, doktorantka w Cambridge University, pracowała w ramach projektu „penetracji kosmosu.” Ustawione szeregowo odbiorniki fal radiowych zarejestrował}' tajemnicze, regularne impulsy fal radiowych nadbiegających z pewnych kierunków w przestrzeni. Najbardziej prawdopodobnym źródłem tego zaskakującego promieniowania była gwiazda wirująca w szalonym tempie, wiele obrotów na sekundę, i wysyłała w przestrzeń wiązkę promieniowania niczym latarnia morska. Przy każdym obrocie wiązka omiata Ziemię. Pierwotna nazwa tych wirujących gwiazd - LGM (Lttle Green Men) - została zmieniona i obecnie nosi nazwę pulsar. Okazało się, że pulsary są małymi, ekstremalnie gęstymi gwiazdami, o średnicy około 30 km i stanowią gwiazdę neutronową. Skoro gwiazda może zapaść się do takich rozmiarów i takiej gęstości, to czy inna gwiazda o większej masie nie może zapaść się jeszcze bardziej i stać się czarną dziurą? I tak pośrednio Jocelyn Bell w 1967 r. odkryła to co było przewidywane już wiele lat wcześniej - czarną dziurę.

Co jest jednak przyczyną tak intensywnego wirowego ruchu gwiazdy pulsara? Często znajdujemy dwie gwiazdy, związane przez wzajemne przyciąganie grawitacyjne i krążące wokół wspólnego środka masy. Taki partnerski związek nazywa się układem podwójnym (lub binarnym).

Zdarza się niekiedy, że zamiast dwóch gwiazd wykrywamy jedną tajemniczo krążącą dookoła, jakby znajdowała się na orbicie wraz z partnerem. Gdy gwiazda zachowuje się w taki sposób, możemy być pewni, że nie jest sama, lecz ma niewidocznego towarzysza. W naszej Galaktyce jest wiele takich układów binarnych, w których jeden z dwóch partnerów jest niewidoczny. Tym niewidocznym towarzyszem może być czarna dziura.

Niewykluczone, że w przestrzeni kosmicznej istnieją czarne dziury, które powstały nie z gwiazd, lecz wskutek grawitacyjnego zapadania się niewielkich obszarów o bardzo dużej gęstości w gorącym ośrodku wypełniającym wszechświat tuż po wielkim wybuchu. Takie