Ce este o gaura neagra?

Conceptul de gaură neagră a apărut la sfarsitul secolului al XVIII-lea, in cadrul gravitației universale a lui Isaac Newton. Problema care se punea atunci era aceea de a sti dacă exista obiecte a caror masa este suficient de mare încât viteza lor de eliberare sa fie mai mare decât viteza luminii.

Abia la începutul secolului XX, odată cu apariția relativității generale a lui Albert Einstein, conceptul de gaura neagra a devenit mai mult decât o curiozitate. Într-adevăr, la scurt timp după publicarea lucrărilor lui Einstein, a fost publicata de catre Karl Schwarzschild o soluție a ecuației lui Einstein care implica existența unei găuri negre centrale.

Lucrarile fundamentale cu privire la găurile negre dateaza din anii 1960, cu puțin timp înaintea primelor dovezi observationale solide in favoarea existenței lor. Prima “observație” a unui obiect care conținea o gaură neagră a fost aceea a sursei de raze X, Cygnus X-1, prin intermediul satelitului Uhuru, în 1971. Termenul de “gaură neagră” a apărut în cursul anilor 1960, datorita fizicianului american Kip Thorne. Anterior, se foloseau termenii de “corpuri Schwarzschild” sau de “astre ocluzate”. Termenul de “gaură neagră” a intampinat reticente din partea unor comunități lingvistice care il considerau oarecum nepotrivit.

Deși termenul a fost consacrat abia în anul 1967 de către fizicianul John Wheeler de la Princeton, ideea unui obiect în spațiu atât de masiv și dens încât lumina nu poate evada din el exista de secole. Găurile negre au fost prezise de teoria relativității generalizate a lui Einstein, care a arătat că atunci când moare o stea masivă, ea lasă în urmă o ramasita de nucleu mic si dens. Daca masa nucleului este de aproximativ trei ori mai mare decât masa Soarelui, ecuațiile au arătat ca forța gravitaționala striveste toate celelalte forțe și produce o gaură neagră.

Posibilitatea existenței găurilor negre nu este o consecință exclusivă a relativității generale: aproape toate celelalte teorii ale gravitatiei, permit existența acestora. Cu toate acestea, teoria relativității generale, spre deosebire de cele mai multe dintre alte teorii ale gravitatiei, a prezis nu numai faptul că pot exista gauri negre, ci si faptul ca ele se vor forma oriunde suficient de multa materie poate fi compactata într-o zona a spațiului. De exemplu, daca Soarele s-ar comprima într-o sferă cu o rază de aproximativ trei kilometri (sau aproximativ patru milionimi din marimea sa), ar deveni o gaură neagră (raza Soarelui: 0,696×106 km= 696 000 km). Daca Pământul s-ar comprima într-un volum de câțiva milimetri cubi, ar deveni, de asemenea, o gaură neagră.

Prin urmare, nu trebuie ca numele să induca in eroare: o gaură neagră este altceva decât un spațiu gol. Mai degrabă, este o mare cantitate de materie impachetata într-un volum foarte mic – de exemplu, o stea de zece ori mai masiva decât Soarele comprimata într-o sferă cu diametrul aproximativ cat New York City. Rezultatul este un câmp gravitațional atât de puternic încât nimic, nici măcar lumina, nu poate scăpa.

O gaura neagra este un obiect sau corp ceresc dens, compact, a cărui atracție gravitațională este atât de puternica încât – pana la o anumită distanță de ea – nimic nu poate scăpa, nici măcar lumina. Se presupune ca se formeaza ca urmare a mortii si disparitiei unei stele cu o masa de cel putin trei ori mai mare decat masa Soarelui.

Daca o stea are de trei ori sau de mai multe ori masa de bază a Soarelui si se prabuseste, ea poate forma o gaură neagră. Aceste obiecte bizare se gasesc prin Univers – in sistemele binare de stele (stele duble) si in centrele galaxiilor in care se dezvolta gauri negre gigantice (supermasive). Stelele cu o masa mai mica se transforma in stele pitice albe sau stele neutronice.

Prin urmare, in astrofizica, o gaura neagra desemneaza un obiect ceresc atât de compact încât intensitatea câmpului său gravitațional împiedică orice formă de materie sau de radiație sa evadeze. Aceste obiecte nu pot emite și nici nu reflecta lumina si sunt negre, ceea ce în astronomie înseamnă că sunt invizibile. Astfel, gaurile negre nu pot fi observate in mod direct, deoarece sunt mici si nu emit lumina.

Cu toate acestea, campurile lor gravitationale enorme afecteaza materia din imediata lor apropiere, care este atrasa de catre acestea si emit radiatii X atunci cand intra in coliziune, la o viteza mare, cu un orizont de evenimente din exterior.

Astfel, mai multe tehnici de observație indirectă, în diverse lungimi de undă, au fost dezvoltate și utilizate pentru a studia fenomenele pe care le provoacă. Materia capturata de o gaură neagră este încălzita la temperaturi semnificative înainte de a fi “înghițita” și emite cantități mari de raze X.

Telescoapele de raze X, precum Chandra, pot detecta materia supraîncălzita care formeaza un turbion spre orizontul evenimentelor unei găuri negre. Chandra a dezvăluit modul în care găurile negre au impact asupra mediului lor, modul în care acestea se comportă și rolul lor in modelarea evoluției cosmosului.

Luata in considerare inca din secolul al XVIII-lea, în contextul mecanicii clasice, existența lor – prezisa de relativitatea generală – este o certitudine pentru aproape toti teoreticienii astrofizicieni și fizicieni. Gravitatia fiind singurul efect care poate veni dintr-o gaură neagră, o observație cvasi-directă a găurilor negre a fost detaliata în februarie 2016, prin prima observație directă a undelor gravitaționale.

În cadrul relativității generale, o gaură neagră este definită ca fiind o singularitate gravitațională ascunsă de un orizont absolut numit orizont de evenimente. Conform fizicii cuantice, o gaură neagră este susceptibila să se evapore prin emiterea unei radiații de corp negru numita radiație Hawking.

Astronomii presupun ca gaurile negre supermasive din centrul quasarilor si al multor galaxii sunt sursa activitatii energetice observate. Stephen W. Hawking a emis teorii despre aparitia a numeroase gauri negre mici, nu mai mari decat un asteroid, in timpul Big-Bang-ului. Aceste gauri negre miniaturale primordiale au pierdut din masa de-a lungul timpului si au disparut ca urmare a radiației Hawking.

Detalii ale structurii unei gauri negre au fost calculate plecand de la teoria relativitatii generale a lui Albert Einstein: o singularitate cu volum zero si densitate infinita atrage toata materia si energia care provin de la un orizont de evenimente definit de raza Schwarzschild, din jurul sau.

O gaură neagră are o masă dată, concentrata intr-un punct numit singularitate gravitațională. Această masă permite definirea unei sfere numită orizontul evenimentelor găurii negre, centrată pe singularitate și a cărei rază este o limită maxima sub care gaura neagră impiedica orice radiație și orice materie de a evada din ea.

Această sferă este un fel de extensie spațială a găurii negre. Astfel, termenul de “gaura neagra” pare sa fie inadecvat: ar fi mai corect să se vorbeasca de o “bilă neagră” pentru a conceptualiza concret forma sa fizica reala care este tridimensională în spațiu. Pentru o gaură neagră de masă egală cu cea a Soarelui, raza sa este de aproximativ 3 kilometri.

black-hole-super

La o distanța interstelara (in milioane de kilometri), o gaură neagră nu exercită o atracție mai mare decât orice alt corp de aceeași masă; așa că nu este un “aspirator” irezistibil. De exemplu, daca Soarele ar fi înlocuit cu o gaură neagră de aceeași masă, orbitele corpurilor care se învârtesc în jurul ei (planete și altele) ar rămâne în mod esențial neschimbate (numai trecerile in apropierea orizontului de evenimente ar induce o modificare semnificativă).

Există mai multe tipuri de găuri negre. Atunci când se formează ca urmare a colapsului gravitațional al unei stele masive, este numita gaura neagra stelara a carei masă este echivalenta cu câteva mase solare. Cele care se afla în centrul galaxiilor au o masă mult mai mare, de până la mai multe miliarde de ori mai mare decât a Soarelui; aceasta se numește gaură neagră supermasivă (sau gaură neagră galactica). Între aceste două scari ale masei, exista si găuri negre intermediare cu o masă de câteva mii de mase solare. Găurile negre de masă mult mai mici, formate la inceputul istoriei Universului, la scurt timp după Big Bang, sunt numite găuri negre primordiale. Existența lor, pana în prezent, nu a fost insa confirmata.

Prin definiție, este imposibil sa se observe în mod direct o gaură neagră. Cu toate acestea, este posibil să se deduca prezența sa prin diverse metode indirecte: din acțiunea sa gravitaționala, prin efectele asupra traiectoriilor stelelor din apropiere, în interiorul microquasarilor și nucleelor active ale galaxiilor sau al materiei aflate în proximitate care, cazand în gaura neagră vor fi in mod considerabil încălzite și emit radiații X puternice. Observațiile permit astfel decelarea existenței obiectelor masive și foarte mici. Singurele obiecte care corespund acestor observații și se încadreaza in relativitatea generala sunt găurile negre.

Cum arata, de fapt, o gaura neagra?

O gaură neagră este un loc în spațiu în care gravitatia “trage” atât de mult încât nici chiar lumina nu poate ieși. Gravitatia este atât de puternică deoarece materia a fost “stoarsa”, comprimata într-un spațiu minuscul. Acest lucru se poate întâmpla atunci când o stea este pe moarte.

Pentru că nici lumina nu poate ieși afară, oamenii nu pot vedea gauri negre, astfel ca acestea sunt invizibile. Telescoapele spațiale cu instrumente speciale pot ajuta la identificarea găurilor negre. Aceste instrumente speciale pot vedea cum stele care sunt foarte aproape de găuri negre acționează diferit față de alte stele.

A stellar-mass black hole in orbit with a companion star located about 6,000 light years from Earth.

 O gaura neagra, numita Cygnus X-1, care s-a format atunci când o stea de mari dimensiuni s-a prabusit. Aceasta gaura neagra trage materie din steaua albastră de lângă ea.

Daca găurile negre sunt “negre”, cum știu oamenii de știință ca sunt acolo?

O gaură neagră nu poate fi văzuta, deoarece gravitația puternică trage toată lumina în centrul găurii negre. Dar oamenii de stiinta pot vedea modul în care gravitatia puternică afectează stelele și gazele din jurul găurii negre. Acestia pot studia stelele pentru a afla dacă acestea plutesc în jurul unei gauri negre sau o orbiteaza.

Atunci când o gaură neagră și o stea sunt apropiate, se produce lumina de energie inalta. Acest tip de lumină nu poate fi văzuta cu ochii umani. De aceea, oamenii de știință folosesc, în spațiu, sateliți și telescoape pentru a vedea lumina de energie inalta.

Cât de mari sunt găurile negre?

Gaurile negre pot fi mari sau mici. Cercetatorii cred ca cele mai mici găuri negre sunt la fel de mici cat un atom. Aceste găuri negre sunt foarte mici, dar au masa unui munte de mari dimensiuni. Masa este cantitatea de materie, sau “umplutura”, dintr-un obiect.

Un alt tip de gaură neagră se numește “stelar“. Masa acesteia poate fi de până la 20 de ori mai mare decât masa Soarelui. Pot exista multe, multe găuri negre de masă stelara in galaxia Pământului, numită Calea Lactee.

Cele mai mari găuri negre se numesc “găuri negre supermasive.” Aceste găuri negre au mase mai mari decat 1 milion de sori împreună. Oamenii de stiinta au gasit dovezi ca fiecare galaxie de mari dimensiuni conține o gaură neagră supermasivă în centrul său. Gaura neagra supermasiva din centrul galaxiei Calea Lactee se numeste Sagittarius A. Aceasta are o masă egală cu cea a aproximativ 4 milioane de sori și ar încăpea într-o minge foarte mare, care ar putea conține câteva milioane de planete Pamant.

milky- way-blackhole

Imaginea curentă a galaxiei Calea Lactee. Dovezile științifice arată că, în mijlocul Caii Lactee se afla o gaură neagră supermasivă.

black-hole-milky-way

Gaura neagra supermasiva, din centrul galaxiei Calea Lactee, numita Sagittarius A

milky way-chandra

Imagine a centrului galaxiei Calea Lactee, detectată de Observatorul de raze X, Chandra

sagittariusA

Sagittarius A – gaura neagra din centrul galaxiei Calea Lactee

Cum se formează găurile negre?

Cercetatorii cred ca cele mai mici găuri negre s-au format odata cu începutul Universului.

Găurile negre stelare se formeaza atunci când centrul unei stele foarte mari colapseaza, adica se prabuseste in ea insasi. Atunci când se întâmplă acest lucru, se formeaza o supernovă. O supernovă este o stea care explodează imprastiind o parte a stelei în spațiu.

Cercetatorii cred ca gaurile negre supermasive s-au format în același timp cu galaxia in care se afla.

Ar putea o gaură neagră sa distruga Pământul?

Gaurile negre nu strabat spațiul inghitind stele, luni și planete. Pământul nu va cădea într-o gaură neagră, deoarece nici o gaură neagră nu este destul de aproape de sistemul solar din care face parte Pământul pentru a se intampla acest lucru. Chiar dacă o gaură neagră de aceeași masă cu soarele ar fi să-i ia locul, Pământul tot nu ar cădea în ea. Gaura neagră ar avea aceeași gravitatie ca si soarele. Pământul și celelalte planete ar orbita gaura neagră asa cum orbitează soarele acum.

Soarele nu se va transforma niciodata într-o gaură neagră deoarece nu este o stea suficient de mare pentru a o produce.

Oamenii de știință nu pot observa în mod direct găurile negre cu telescoape care detectează raze X, lumina, sau alte forme ale radiației electromagnetice. Totusi, acestia pot deduce prezența găurilor negre și sa le studieze prin detectarea efectului lor asupra materiei din apropiere. De exemplu, daca o gaură neagră trece printr-un nor de materie interstelar, va atrage materia in interior printr-un proces cunoscut sub numele de acreție.

accretion

accretion1

Materia curge de la steaua companion în discul de acreție, în jurul găurii negre și apoi este încălzita și cade spre interior. Emisia de la materia mai fierbinte si profunda fotoionizeaza materialul din discul de acreție. Se poate observa emisia din această materie fotoionizata.

Un proces similar poate avea loc daca o stea normala trece aproape de o gaură neagră. În acest caz, gaura neagră poate face bucati steaua in timp ce o atrage spre sine. Pe măsură ce materia atrasa accelerează și se încălzește, emite raze X care iradiaza în spațiu. Descoperirile recente oferă dovada că găurile negre au o influență dramatică asupra vecinatatilor din jurul lor – emitand explozii puternice de raze gamma, devorand stelele din apropiere și stimulând aparitia de noi stele, în unele zone, în timp ce în alte zone le atrage si le face sa dispara.

emisii

Emisii intense de raze X considerate a fi cauzate de o gaură neagră care devorează o stea.

accretion2

Etapele “devorarii” unei stele de catre o gaura neagra

1.O stea asemanatoare soarelui, pe o orbită excentrica, plonjează spre o gaura neagra supermasiva din centrul unei galaxii îndepărtate.

2. Forțele mareice puternice din apropierea gaurii negre distorsioneaza steaua din ce în ce mai mult. Daca steaua trece prea aproape, este trasa spre gaura neagra.

3. Partea stelei orientata spre gaura neagră “curge” spre ea și formează un disc de acreție. Restul stelei se extinde în spațiu.

4. În apropierea găurii negre, câmpurile magnetice pun in miscare un jet îngust de particule care se deplasează cu o viteza apropiata de viteza luminii. Acest jet este o sursă de raze X și unde radio.

Sfarsitul unei stele inseamna inceputul unei gauri negre

Cele mai multe găuri negre se formează din rămășițele unei stele mari care moare într-o explozie de supernova (stea muribunda care explodeaza). Stelele mai mici devin stele neutronice dense, care nu sunt suficient de masive pentru a retine lumina. Daca masa totală a stelei este suficient de mare (aproximativ de trei ori mai mare decât masa Soarelui), se poate demonstra teoretic că nici o forță nu poate feri steaua de prăbușirea sub influența gravitației. Cu toate acestea, atunci cand steaua se prăbușește (colapseaza), se întâmplă un lucru ciudat. Pe măsură ce suprafața stelei se apropie de o suprafață imaginară numită “orizontul evenimentului”, timpul pe stea incetineste relativ la timpul petrecut de un observator aflat departe de aceasta. Atunci când suprafața atinge orizontul evenimentelor, timpul se oprește, iar steaua nu se mai poate prăbuși – devine un obiect înghețat în colaps.

Chiar si gaurile negre mai mari pot rezulta din coliziuni stelare. La scurt timp după lansarea sa în decembrie 2004, telescopul Swift a observat flash-uri puternice si rapide de lumină cunoscute sub numele de explozii de raze gamma. Obsevatorul Chandra și Telescopul Spațial Hubble au colectat, mai târziu, date din “amurgul” evenimentului și, împreună, observațiile au condus astronomii la concluzia că puternicele explozii pot avea loc atunci când o gaură neagră și o stea cu neutroni (stea neutronica) se ciocnesc, producând o altă gaură neagră.

Bebelusi și Giganti

Deși procesul de bază al formarii gaurilor negre este înțeles, un vesnic mister în știința găurilor negre este faptul că ele par să existe pe două scări de dimensiuni radical diferite. Pe de o parte, există nenumăratele găuri negre care sunt resturile stelelor masive. Presărate de-a lungul Universului, aceste găuri negre de “masă stelara” sunt, în general, de 10 până la 24 de ori mai masive decât Soarele. Astronomii le identifica atunci când o altă stea se apropie suficient pentru ca o parte din materia sa înconjurătoare să fie prinsa în cursă de gravitația găurii negre, producand raze X în timpul acestui proces. Cu toate acestea, cele mai multe gauri negre stelare, duc vieți izolate și sunt imposibil de detectat. Totusi, judecând după numărul de stele suficient de mari pentru a produce astfel de găuri negre, oamenii de știință estimează că există un numar de zece milioane pana la un miliard de astfel de găuri negre numai in Calea Lactee.

Pe de alta parte, in spectrul lor de marime se afla giganții, cunoscuți ca găuri negre “supermasive”, care sunt de milioane, dacă nu de miliarde de ori mai masive decat Soarele Astronomii cred că găurile negre supermasive se află practic în centrul tuturor galaxiilor mari, chiar si in propria noastră Cale Lactee. Acestia le pot detecta prin observarea efectelor lor asupra stelelor și a gazelor din apropiere.

De-a lungul timpului, astronomii au crezut multa vreme că nu există si găuri negre de marime medie. Cu toate acestea, recent, au aparut dovezi de la observatoarele Chandra, XMM-Newton și Hubble care intăresc convingerea ca există găuri negre de marime medie. Un mecanism fezabil pentru formarea găurilor negre supermasive implica o reacție în lanț de coliziuni de stele in clustere de stele compacte, care are ca rezultat acumularea de stele extrem de masive, care apoi colapseaza pentru a forma găuri negre de masă intermediara. Clusterele de stele (roiuri de stele) se scufunda apoi spre centrul galaxiei, unde găurile negre de masa intermediara fuzionează pentru a forma o gaură neagră supermasivă.

Orizontul evenimentelor

Zona sferică care delimitează regiunea din care lumina și materia nu pot evada se numește “orizontul evenimentelor”. Se vorbeste uneori de “suprafața” găurii negre, deși termenul este oarecum impropriu (nu este vorba de o suprafață solidă sau gazoasă, cum ar fi suprafața unei planete sau a unei stele). Aceasta nu este o zonă care are caracteristici speciale: un observator care ar traversa orizontul evenimentelor nu ar simți nimic special in acel moment. Cu toate acestea, el si-ar da seama că nu poate să scape din această regiune dacă încearcă să se întoarcă. Este un fel de punct fără întoarcere. În esență, este o situație oarecum similară cu cea a unui înotător care se indeparteaza de coastă. Dacă, de exemplu, înotătorul poate înota doar doi kilometri, el nu va simți nimic dacă se indeparteaza la mai mult de un kilometru de coastă; dar, daca trebuie să se întoarcă, își va da seama că nu are suficientă energie pentru a ajunge la mal.

Cu toate acestea, un observator situat în vecinatatea orizontului va remarca faptul că timpul trece în mod diferit pentru el și pentru un observator situat departe de gaura neagra. Daca acesta din urma ii trimite semnale luminoase, la intervale regulate (de exemplu, o secundă), observatorul aflat aproape de gaura neagra va primi mai multe semnale luminoase (frecvența semnalelor luminoase va fi mai mare, ca urmare a deplasarii spre albastru (blueshift) suferite de lumina care cade spre gaura neagră) și intervalele de timp dintre două semnale consecutive vor fi mai scurte (deci mai puțin de o secundă). Prin urmare, acest observator va avea impresia că timpul trece mai repede pentru colegul său rămas departe de gaura neagră decât pentru el. Pe de altă parte, observatorul rămas departe de gaura neagra il va vedea pe colegul său evoluand din ce in ce mai lent, timpul dându-i impresia ca se scurge mai încet.

Daca observatorul aflat la distanță vede un obiect care cade într-o gaură neagră, cele doua fenomene de dilatare a timpului si de deplasare spre rosu (redshift ) se vor combina. Eventualele semnale emise de obiect vor fi din ce in ce mai rosii si din ce in ce mai putin luminoase (lumina emisă pierde din ce in ce mai multă energie înainte de a ajunge la observatorul aflat la distanță) și din ce in ce mai distantate. În practică, numărul de fotoni recepționați de către observatorul aflat la distanță va scădea foarte rapid, devenind nul: in acel moment, obiectul care urmează sa cada în gaura neagră a devenit invizibil. Chiar daca observatorul aflat la distanță încearcă să se apropie de orizont pentru a recupera obiectul pe care a avut impresia ca-l vede oprindu-se chiar înainte de orizont, acesta va rămâne invizibil.

Pentru un observator care se apropie de o singularitate, efectele fortei mareice vor deveni considerabile. Aceste efecte, care determină deformarile unui obiect (corpul unui astronaut, de exemplu), datorită eterogenităților câmpului gravitațional, vor fi în mod inevitabil resimțite de un observator care se apropie prea mult de o gaură neagră sau de o singularitate.

Regiunea în care aceste efecte mareice devin importante este situata în întregime în orizontul evenimentelor pentru găurile negre supermasive, dar vor fi semnificative dincolo de orizontul evenimentelor găurilor negre stelare. Astfel, un observator care se apropie de o gaură neagră stelara va fi nimicit înainte de trecerea orizontului, în timp ce același observator care s-ar apropia de o gaură neagră supermasivă ar trece orizontul fara probleme. La fel, ar fi in mod inevitabil nimicit de efectele mareice, apropiindu-se de singularitate.

Singularitatea gravitationala

În centrul unei găuri negre exista o zona în care câmpul gravitațional și distorsiunile (deformarile) spațiu-timpului (mai precis curbura spațiu-timpului) devin infinite. Această zonă se numește singularitate gravitațională. Descrierea acestei zone este foarte dificilă în contextul relativității generale, deoarece aceasta nu poate descrie zone în care curbura devine infinita.

In plus, relativitatea generală este o teorie care nu poate încorpora, in general, efecte gravitaționale de origine cuantica. Dar când curbura tinde spre infinit, se poate demonstra că aceasta este în mod necesar obiectul unor efecte de natură cuantica. Prin urmare, doar o teorie a gravitației care încorporează toate efectele cuantice (gravitatia cuantică) este capabila să descrie corect singularitățile gravitaționale.

Descrierea unei singularitati gravitaționale este problematică la ora actuala. Cu toate acestea, atata timp cat aceasta se află în interiorul orizontului găurii negre, ea nu poate să influențeze ceea ce este în afara acestui orizont, în același mod în care materia situata în interiorul orizontului unei găuri negre nu poate sa iasa din ea. Astfel, asa misterioase cum sunt singularitatile gravitaționale, incapacitatea noastră de a le descrie, dovada existenței limitărilor relativității generale in a descrie toate fenomenele gravitaționale, nu împiedică descrierea găurilor negre pentru partea situata in orizontul evenimentelor.

© CCC

Share |

Leave a Reply

Copy Protected by Chetan's WP-CopyProtect.