Czarna dziura

Zobacz slidy

Treść prezentacji

Slide 1

Magdalena Kotecka

Slide 2

Czarne dziury - definicja Aby wydostać się z pola grawitacyjnego planety lub innego obiektu astronomicznego i uciec w kosmos, ciało musi rozpędzić się do dużej prędkości zwanej prędkością ucieczki. Dla ciał znajdujących się na Ziemi wynosi ona 11.2 kms. Jeśli nie zmieniając masy obiektu astronomicznego będziemy zmniejszać promień to prędkość ucieczki rośnie. Dla odpowiednio małego promienia prędkość ucieczki jest równa prędkości światła. Oznacza to, że żadne ciało, nawet światło nie opuści powierzchni tego obiektu. Taki obiekt nazywamy czarną dziurą. Rysunek przedstawia artystyczną wizję czarnej dziury wraz z dyskiem akrecyjnym

Slide 3

Opis czarnych dziur Czarna dziura tak silnie oddziałuje grawitacyjnie na swoje otoczenie, że nawet światło nie może uciec z jego powierzchni. Żaden rodzaj energii ani materii nie może opuścić czarnej dziury. 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. Materia 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. Część zjonizowanej materii z dysku, pod działaniem pola elektromagnetycznego dysku, ucieka w kierunkach osi, tworząc tzw. dżety.

Slide 4

Czarna dziura to obszar czasoprzestrzeni, którego, z uwagi na wpływ grawitacji, nic, łącznie ze światłem, nie może opuścić. Zgodnie z ogólną teorią względności, do jej powstania niezbędne jest nagromadzenie dostatecznie dużej masy w odpowiednio małej objętości. Czarną dziurę otacza matematycznie zdefiniowana powierzchnia nazywana horyzontem zdarzeń, która wyznacza granicę bez powrotu. Nazywa się ją czarną, ponieważ pochłania całkowicie światło trafiające w horyzont, nie odbijając niczego (jak ciało doskonale czarne). Mechanika kwantowa przewiduje, że czarne dziury emitują promieniowanie jak ciało doskonale czarne o niezerowej temperaturze. Temperatura ta jest odwrotnie proporcjonalna do masy czarnej dziury, co sprawia, że bardzo trudno je zaobserwować w wypadku czarnych dziur o masie gwiazdowej bądź większych.

Slide 6

Historia - hipotezy i odkrycia Ideę, iż może istnieć tak masywne ciało z którego nawet światło nie może uciec postulował angielski geolog John Michell w roku 1783 w pracy przesłanej do Royal Society. Michell rozważał, iż w kosmosie może istnieć wiele tego typu obiektów. W roku 1796 francuski matematyk Pierre Simon de Laplace propagował tę samą ideę w swojej książce Exposition du Systeme du Monde. Ta idea nie cieszyła się dużym zainteresowaniem w XIX wieku, ponieważ światło uważano za bezmasową falę niepodlegającą grawitacji. Niedługo po opublikowaniu w roku 1905 szczególnej teorii względności Einstein zaczął rozważać wpływ grawitacji na światło. Najpierw pokazał, że grawitacja oddziałuje na propagację fal elektromagnetycznych, a w roku 1915 sformułował ogólną teorię względności. Kilka miesięcy później Karl Schwarzschild znalazł rozwiązanie równań tej teorii opisujących obiekt mający postać masy skupionej w jednym punkcie, który bardzo silnie odkształca czasoprzestrzeń. Jednym z parametrów rozwiązania był promień Schwarzschilda. Sam Schwarzschild uważał go za niefizyczny. W latach 20. XX wieku Chandrasekhar na przykładzie białego karła pokazał, że powyżej pewnej granicznej masy nic nie jest w stanie powstrzymać kolapsu gwiazdy. Przeciwny takim wnioskom był Arthur Eddington, który wierzył, iż powinna istnieć fizyczna przyczyna, która zatrzyma kolaps gwiazdy. W 1939 roku Robert Oppenheimer i H. Snyder pokazali, że masywna gwiazda może ulec kolapsowi grawitacyjnemu. Taki obiekt nazwano zamrożoną gwiazdą, ponieważ dla dalekiego obserwatora kolaps będzie zwalniał. Idea ta nie wywołała dużego zainteresowania aż do lat 60. Zainteresowanie nią wzrosło z chwilą odkrycia pulsarów w 1967 roku. Tuż po tym John Wheeler zaproponował nazwę czarna dziura.

Slide 8

Powstawanie czarnych dziur Gdy wewnątrz gwiazdy o masie przynajmniej 4 razy większej od masy Słońca kończy się wodór zużywany jest hel, potem kolejne, coraz cięższe pierwiastki. Kiedy gwiazda zaczyna zużywać żelazo, nie jest już w stanie wytworzyć dość energii, aby przeciwdziałać zapadaniu się pod wpływem własnej grawitacji. Podczas potężnej eksplozji nazywanej supernową i spowodowanej gwałtownym spadkiem ciśnienia i utratą stabilności mechanicznej spora części materii gwiazdowej ucieka. W środku pozostaje żelazne jądro, które zaczyna się zapadać i tworzy gwiazdę neutronową utrzymywaną w stabilności mechanicznej. Jeżeli jej masa jest dość wielka, to również takie ciało nie wytrzymuje własnego ciężaru i powstaje czarna dziura.

Slide 9

Teoria przewiduje, że czarne dziury o masie kilku mas Słońca mogą tworzyć się na końcowych etapach ewolucji gwiazd o masach większych od 10 mas Słońca zwanych czerwonymi nadolbrzymami w wyniku zapadnięcia się gęstego jądra, a zewnętrzna część w wybuchu implozji wyrzucana jest na zewnątrz i widoczna jako gwiazda supernowa. Aby powstała czarna dziura masa zapadającego się jądra musi być większa od około 2,8 mas Słońca. Wtedy żadna znana siła nie jest w stanie stawić czoło zapadaniu grawitacyjnemu. Czarne dziury o masach milionów mas Słońca znajdują się w centrach niektórych galaktyk (czy wszystkich tego nie wiemy). Wiemy jedynie, że występują dość powszechnie i że jedna z takich dziur tkwi w centrum naszej Galaktyki. Dalekie aktywne galaktyki nazywamy kwazarami. Nie wiemy również, w jaki sposób powstają. Są dwie hipotezy. Pierwsza zakłada, że najpierw powstały

Slide 10

Schemat kwazara. Gaz międzygalaktyc zny opada na czarną dziurę, formując dysk i świecąc. Jednocześnie z centrum dysku wyrzucane są strugi materii czyli dżety.

Slide 11

Galaktyka Cyrkla. Na zdjęciu - gorący gaz (kolor różowy) jest wyrzucany ze środka spiralnej galaktyki. Większość tego wzburzonego gazu jest jednak skoncentrowana w dwóch pierścieniach. Pierścień zewnętrzny, czerwony, zlokalizowany około 700 lat świetlnych od środka, jest miejscem olbrzymich wybuchów związanych z procesem powstawania gwiazd. Uprzednio niezauważany pierścień wewnętrzny wewnątrz zielonego dysku - jest widoczny z odległości 130 lat świetlnych od środka. W środku znajduje się aktywne jądro galaktyki, gdzie materia jasno się rozświetla, za nim najprawdopodobniej wykona ruch spiralny w kierunku olbrzymiej czarnej dziury.

Slide 12

Supermasywna czarna dziura Supermasywną czarną dziurą nazywamy czarną dziurę o masie milionów a nawet miliardów mas Słońca. Mają pewne cechy, które odróżniają je od normalnych czarnych dziur: Średnia gęstość takiego ciała jest bardzo mała w sąsiedztwie horyzontu supermasywnej czarnej dziury nie odczulibyśmy potężnych sił pływowych, jak to ma miejsce w normalnych czarnych dziurach. Odczulibyśmy je dopiero znajdując się głęboko we wnętrzu czarnej dziury. Czarne dziury takie mogą powstać na dwa sposoby: - poprzez powolny spadek materii ku czarnej dziurze - w wyniku bardzo wysokich ciśnień panujących tuż po Wielkim Wybuchu. Przypuszcza się, że większość galaktyk w swoim centrum ma własnię taką czarną dziurę. W naszej Drodze Mlecznej również znajduje się taka czarna dziura. Umiejscowiona jest w radioźródle o nazwie Sagittarius A. Ma ona masę około 2 miliardów mas Słońca!

Slide 13

Rekonstrukcja dysku otaczającego czarną dziurę w centrum galaktyki NGC 4258. Dokonano jej na podstawie radiowego widma dysku, które widać na dole rysunku.

Slide 14

Wielkość czarnej dziury zależy od jej masy: dla 101 mas Słońca obwód byłby równy 1873,87 km, dla 201 - 3729,18 km a dla 401 - 7439,80 km. Natomiast promień Schwarzschilda odległość od horyzontu do osobliwości - byłby równy 1 km (2953m) dla masy Słońca i 0,01 lat świetlnych dla masy Galaktyki (1011 mas Słońca), dla Ziemi wynosi 8,870 056 22 mm. Supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej

Slide 15

Astronomowie z fińskiego Tuorla Observatory odkryli najcięższą czarną dziurę znanego nam Wszechświata. Ma masę 18 mld Słońc, czyli małej galaktyki i znajduje się w odległości 3,5 mld lat świetlnych od nas i stanowi centralny element kwazara OJ287.

Slide 16

NASA odkryło najmniejszą (do tej pory) czarną dziurę. Odkryty w 122011 układ podwójny składa się z normalnej gwiazdy i kandydata na czarną dziurę - tak na razie NASA formalnie nazywa IGR, ponieważ badania nad układem dopiero się rozpoczęły. Nie wiemy nawet jak daleko od Ziemi się znajduje. Według szacunków NASA - od 16 do 65 tysięcy lat świetlnych. Najciekawsze jest to, że IGR ma masę trochę mniejszą od trzech Słońc. Oznacza to, że prawdopodobnie jego masa jest niewiele wyższa

Slide 18

Naukowcy odkryli bliźniaka naszego Słońca Gwiazda znajduje się zaledwie 200 lat świetlnych od nas. Gwiazda o nazwie HP 56948 jest rzeczywiście szczególna, ma bowiem dokładnie taką samą masę, temperaturę i skład chemiczny, co Słońce

Slide 19

Życie w czarnej dziurze Naukowcy sądzą, że zgodnie z ogólną teorią względności, wewnątrz czarnej dziury musi istnieć osobliwość, to znaczy punkt, gdzie gęstość materii i krzywizna czasoprzestrzeni są nieskończone. W nowych teoriach Wszechświata mówi się, że jest to droga do innych światów.

Slide 20

Zakłada się, że każdy obiekt, który będzie wystarczająco blisko czarnej dziury, ruchem spiralnym spada do samego piekielnego środka, tzw. osobliwości, punktu o nieskończonej gęstości. Tam zaś jest zgniatany przez monstrualne ciśnienie. Wiaczesław Dokuczajew, fizyk z Instytutu Badań Jądrowych Rosyjskiej Akademii Nauk w Moskwie, opublikował wyliczenia, z których wynika, że po wpadnięciu do czarnej dziury niekoniecznie musi nas czekać marny los. Za horyzontem czarnej dziury, a więc granicą, spoza której nie ma już powrotu, znajdują się stabilne orbity. Jeśli śmiałek trafi na jedną z nich, to będzie się poruszał wokół straszliwej osobliwości, ale na nią nie spadnie. Tak jak Ziemia krąży wokół Słońca z dala od jego wrzącej plazmy. Jedyna różnica jest taka, że orbity za horyzontem czarnej dziury nie są kołowe ani eliptyczne, przypominają raczej skomplikowaną rozetę. Ale teoretycznie mogą po nich krążyć całe planety trzymając się na dystans od śmiertelnego środka. Przy tym im większa czarna dziura, tym lepiej. Jest więcej miejsca dla takich orbit, a poza tym rozwałkowujące na ciasto siły pływowe nie są już tak dotkliwe. W supermasywnych czarnych dziurach, które mają masę miliony, a czasem miliardy razy większą niż nasze Słońce, grawitacja osobliwości byłaby praktycznie nieodczuwalna dla ludzi. A takie monstra - o czym coraz częściej przekonują się astronomowie - znajdują się w centrum niemal każdej galaktyki. Także naszej Drogi Mlecznej.

Slide 21

Zaraz w pierwszym akapicie fizyk bez ogródek pisze: Wnętrza supermasywnych czarnych dziur mogą być zasiedlone przez zaawansowane cywilizacje. Na obecnym poziomie wiedzy wiemy tylko, że takie orbity w czarnych dziurach są w pełni zgodne z ogólną teorią względności Einsteina - dodaje. A jaki sens miałoby mieszkanie w otoczeniu czarnej dziury? - Centralna osobliwość to źródło wiecznej energii - mówi fizyk. - Cywilizacja nie musiałaby już szukać innego schronienia, co prędzej czy później staje się koniecznością, jeśli mieszka się przy zwykłej gwieździe, która się z czasem wypala. Poza tym do czarnej dziury wpada mnóstwo skarbów - zasoby naturalne, które można wykorzystywać. Wchodzą też w grę kwestie bezpieczeństwa: - Żyjąca we wnętrzu czarnej dziury cywilizacja nie może być podglądana z zewnątrz. Sama jednak zawczasu dostrzeże zbliżającego się wroga i w razie potrzeby ewakuuje się do innego wszechświata przez most Einsteina-Rosena.