Úvod do čiernych dier

Čierne diery sú objekty vo vesmíre s toľkými hmotami uviaznutými v ich hraniciach, že majú neuveriteľne silné gravitačné polia. V skutočnosti je gravitačná sila čiernej diery taká silná, že po jej vstupe nemôže nič uniknúť. Čiernu dieru nemôže uniknúť ani svetlo, je zachytená vo vnútri spolu s hviezdami, plynom a prachom. Väčšina čiernych dier mnohokrát obsahuje hmotu nášho Slnka a najťažšie môžu mať milióny slnečných hmôt.

Napriek všetkému množstvu sa skutočná jedinečnosť, ktorá tvorí jadro čiernej diery, nikdy nevidela ani nezobrazila. Ako naznačuje toto slovo, je to malý bod vo vesmíre, má však veľa hmoty. Astronómovia sú schopní študovať tieto objekty iba prostredníctvom ich účinku na materiál, ktorý ich obklopuje. Materiál okolo čiernej diery tvorí rotujúci disk, ktorý leží tesne za oblasťou nazývanou „horizont udalostí“, čo je gravitačný bod bez návratu.

Základným „stavebným blokom“ čiernej diery je jedinečnosť: ohraničená oblasť vesmíru, ktorá obsahuje celú hmotu čiernej diery. Okolo je to oblasť priestoru, z ktorej nemôže svetlo uniknúť a pomenovať „čiernu dieru“. Vonkajší „okraj“ tejto oblasti je tým, čo tvorí horizont udalostí. Je to neviditeľná hranica, kde je ťah gravitačného poľa rovnaký ako rýchlosť svetla. Je to tiež miesto, kde je vyvážená gravitácia a rýchlosť svetla.

Poloha horizontu udalostí závisí od gravitačného ťahu čiernej diery. Astronómovia vypočítavajú polohu horizontu udalostí okolo čiernej diery pomocou rovnice R_s = 2 GM / c². R je polomer singularity, G je gravitačná sila, M je hmotnosť, C je rýchlosť svetla.

Existujú rôzne typy čiernych dier a vyskytujú sa rôznymi spôsobmi. Najbežnejším typom je čierna diera s hmotnosťou hviezd. Tieto obsahujú zhruba až niekoľkokrát hmotnosť nášho Slnka a tvoria sa, keď sú veľké hlavná sekvencia hviezdy (10 - 15 násobok hmotnosti nášho Slnka) v jadrách dochádzajú jadrové palivo. Výsledok je obrovský výbuch supernovy ktorý odpáli hviezdne vonkajšie vrstvy do vesmíru. To, čo zostalo, sa zrúti a vytvorí čiernu dieru.

Ďalšími dvoma typmi čiernych dier sú superhmotné čierne diery (SMBH) a mikro čierne diery. Jeden SMBH môže obsahovať množstvo miliónov alebo miliárd slnečných lúčov. Mikro čierne diery sú, ako naznačuje ich názov, veľmi malé. Možno budú mať iba 20 mikrogramov hmoty. V obidvoch prípadoch nie sú úplne jasné mechanizmy ich vytvorenia. Teoreticky existujú mikro čierne diery, ktoré však neboli priamo zistené.

Zistilo sa, že v jadrách väčšiny galaxií existujú superhmotné čierne diery a o ich pôvode sa stále diskutuje. Je to možné tie supermasívne čierne diery sú výsledkom zlúčenia menších čiernych dier s hviezdnou hmotnosťou a iných záležitosť. Niektorí astronómovia naznačujú, že by mohli byť stvorení, keď sa zrúti jedna vysoko masívna hviezda (stokrát väčšia ako Slnko). Či tak alebo onak, sú dostatočne masívne, aby ovplyvnili galaxiu mnohými spôsobmi, od účinkov na pôrodnosť po obežné dráhy hviezd a materiálu v ich blízkosti.

Na druhej strane sa mohli pri zrážke dvoch veľmi vysokoenergetických častíc vytvoriť mikro-čierne diery. Vedci naznačujú, že k tomu dochádza nepretržite v hornej atmosfére Zeme a pravdepodobne k tomu dôjde počas experimentov s časticovou fyzikou na takých miestach, ako je CERN.

Pretože svetlo nemôže uniknúť z oblasti okolo čiernej diery ovplyvnenej horizontom udalosti, nikto nemôže čiernu dieru „vidieť“. Astronómovia ich však môžu merať a charakterizovať podľa účinkov, ktoré majú na svoje okolie. Čierne diery, ktoré sú blízko iných objektov, na ne pôsobia gravitačne. Po prvé, hmotnosť môže byť tiež určená obežnou dráhou materiálu okolo čiernej diery.

V praxi astronómovia odvodzujú prítomnosť čiernej diery študovaním toho, ako sa okolo nej správa svetlo. Čierne diery, rovnako ako všetky masívne objekty, majú dostatok gravitačného ťahu, aby ohýbali cestu svetla, keď prechádza okolo. Keď sa hviezdy za čiernou dierou pohybujú relatívne k tomu, svetlo, ktoré vyžarujú, sa javí skreslené alebo sa hviezdy objavujú neobvyklým spôsobom. Z tejto informácie je možné určiť polohu a hmotnosť čiernej diery.

Toto je zvlášť zrejmé v klastroch galaxií, kde je kombinovaná hmotnosť zhlukov, ich tmavá hmota a ich čierne diery vytvárajú neobvykle tvarované oblúky a krúžky ohýbaním svetla vzdialenejších predmetov, keď prechádza okolo.

Astronómovia môžu tiež vidieť žiarením, ktoré vyžarovaný materiál okolo nich vyžaruje, čierne diery, ako napríklad rádio alebo röntgenové lúče. Rýchlosť tohto materiálu tiež dáva dôležité informácie o vlastnostiach čiernej diery, ktorú sa snaží uniknúť.

Posledný spôsob, ako môžu astronómovia zistiť čiernu dieru, je mechanizmus známy ako Jestvujúce žiarenie. Pomenovaný pre slávneho teoretického fyzika a kozmológa Stephen Hawking, Hawkingove žiarenie je dôsledkom termodynamiky, ktorá vyžaduje, aby energia unikla z čiernej diery.

Základnou myšlienkou je, že v dôsledku prírodných interakcií a výkyvov vo vákuu bude hmota vytvorená vo forme elektrónu a anti-elektrónu (nazývaného pozitrón). Ak k tomu dôjde v blízkosti horizontu udalosti, jedna častica bude vytlačená preč od čiernej diery, zatiaľ čo druhá bude spadať do gravitačnej studne.

Pre pozorovateľa je všetko, čo je „videné“, častice emitované z čiernej diery. Na časticu by sa malo pozerať ako na pozitívnu energiu. To znamená, symetriou, že častice, ktoré padli do čiernej diery, by mali negatívnu energiu. Výsledkom je, že s vekom čiernej diery stráca energiu, a preto stráca hmotnosť (podľa Einsteinovej slávnej rovnice E = MC², kde E= Energia, M= hmotnosť a C je rýchlosť svetla).

Upravené a aktualizované používateľom Carolyn Collins Petersen.