Czarne dziury - czym są, jak powstają?

Czarne dziury to obszary czasoprzestrzeni, których, z uwagi na wpływ grawitacji, nic, łącznie ze światłem, nie może opuścić. Otacza je matematycznie zdefiniowana powierzchnia nazywana - horyzont zdarzeń, która wyznacza granicę bez powrotu.

Nazywa się je "czarnymi", ponieważ łącznie z całą materią pochłaniają światło, nie odbijając go. Towarzyszy temu efekt soczewkowania grawitacyjnego, przez który widoczne są dwa powiększone, zamazane obrazy, a przestrzeń, na której znajduje się czarna dziura ulega złudzeniu zakrzywienia.

Czarne dziury powstają z gwiazd - gwiazda podlega oddziaływaniu dwóch przeciwstawnych, równoważących się sił: grawitacji - pole grawitacyjne, usiłującej ścisnąć materię do centralnego punktu, i ciśnieniu gorącego gazu, próbującego rozepchnąć gwiazdę. Z czasem gwiazda pod wpływem braku paliwa jądrowego kurczy się, ponieważ dalej wypromieniowuje energię. Jeżeli wcześniej długość jej promienia była większa niż ok. 837 tys. km, to nie zostaje ona białym karłem lecz kurczy się do rozmiarów, przy których jest ona tak gęsta, że zachodzą w niej pewne reakcje jądrowe pochłaniające duże ilości energii. Równowaga sił zostaje przez to załamana i gwiazda gwałtownie się zapada. Może nastąpić wtedy rozbłysk supernowej, a siły grawitacji ścisnąć materię do centralnego punktu, tworząc czarną dziurę.

Na temat czarnych dziur wydali teorie między innymi Albert Einstein (ogólna teoria względności)

Grawitacja to zakrzywienie czasoprzestrzeni, spowodowane obecnością skupionej materii. Niewielka krzywizna pozwala obserwować otaczający nasz świat, stosując powszechne prawo grawitacji Newtona. Bardziej masywne i gęstsze obiekty wytwarzają silniejszą siłę grawitacji, a najgęstsze twory, mające tak silną grawitację, że nic - nawet światło, nie może wydostać się spod ich wpływu, noszą nazwę czarnych dziur.

oraz Stephen Hawking (teoria promieniowania)

W próżni istnieją tzw. cząstki wirtualne, które spontanicznie łączą się w pary. Proces ten jest nieprzerwany. Może zaistnieć sytuacja, kiedy jedna cząstka z wirtualnej pary wpadnie do czarnej dziury, a druga ucieknie do nieskończoności. Możemy powiedzieć, że cząsteczka, która uciekła ma pewną dodatnią wartość energii. Całkowita energia musi być jednak zachowana. W takim wypadku, aby zasada zachowania została spełniona, czarna dziura musi "oddać" (utracić) masę - promieniuje. Efekt jest bardzo mały, gdyż w miarę wzrostu masy czarnej dziury temperatura maleje.

W klasycznej teorii grawitacji Isaaca Newtona cząstka w spoczynku daleko od centrum grawitacji ma całkowitą energię równą zeru:

E = - GMm/r + mv^2/2 = 0 --> v^2=2GM/r

Z tego wzoru można obliczyć wzór na promień Schwarzschilda, który jest odległością od centrum przyciągania, w której prędkość cząstki jest równa prędkości światła (v = c)

r = 2GM/c^2

Znając masę ciała, stały współczynnik grawitacji (6,67 × 10-11 N m2/kg2) oraz prędkość światła (299792458 m/s) możemy obliczyć jak bardzo trzeba zwiększyć jego gęstość (ale długość jego promienia nie może przekraczać długości jego promienia Schwarzschilda), aby stało się ono czarną dziurą.

Czarne dziury możemy podzielić ze względu na ich promień Szwarzschilda na supermasywne, zwykłe i pierwotne czarne dziury.