.png)
Czarne dziury są jednymi z najdziwniejszych i najbardziej fascynujących obiektów w kosmosie. Łatwo ulec pokusie i założyć zgodnie z nazwą, że czarna dziura to coś pustego – nic bardziej mylnego. Czarna dziura to wielka ilość materii upakowana na bardzo małym obszarze – pomyśl o gwieździe dziesięć razy masywniejszej niż Słońce ściśniętej w kulę o średnicy zbliżonej Warszawy. Rezultatem jest pole grawitacyjne tak silne, że nic, nawet światło, nie może uciec. Idea obiektu w przestrzeni tak masywnego i gęstego, że światło nie mogłoby z niego uciec, istnieje od wieków.
Czarne dziury przewidywała ogólna teoria względności Einsteina, która wykazała, że gdy masywna gwiazda umiera, pozostawia po sobie mały, gęsty szczątkowy rdzeń. Jeśli masa jądra jest ponad trzy razy większa od masy Słońca, co wynika z równań – siła grawitacji przewyższa wszystkie inne siły i tworzy czarną dziurę. Teoria względności Einsteina pochodzi z 1916 roku, jednak termin „czarna dziura” został użyty wiele lat później – w 1967 roku, przez amerykańskiego astronoma Johna Wheelera.
Po dziesięcioleciach badań nad czarnymi dziurami znamy te obiekty jedynie teoretycznie. Szacuje się, że Droga Mleczna (Galaktyka, w której znajduje się Ziemia) może zawierać ponad 100 milionów czarnych dziur, choć ich wykrycie jest bardzo trudne. W sercu Drogi Mlecznej znajduje się supermasywna czarna dziura – Sagittarius A. Ta kolosalna struktura, zgodnie z danymi NASA jest około 4 miliony razy masywniejsza od Słońca i leży około 26 000 lat świetlnych od Ziemi. Pierwsze zdjęcie czarnej zostało wykonane w 2019 roku przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT). Uderzające zdjęcie czarnej dziury w centrum galaktyki M87, 55 milionów lat świetlnych od Ziemi zachwyciło naukowców z całego świata. Dzięki EHT, w sercu galaktyki M87 zaobserwowano horyzont zdarzeń lub obszar, za którym nic nie może uciec z czarnego obiektu. Obraz odwzorowuje nagłą utratę fotonów (cząstek światła).
W 2021 roku astronomowie ujawnili nowy widok gigantycznej czarnej dziury w centrum M87, pokazujący, jak wygląda kolosalna struktura w świetle spolaryzowanym. Ponieważ spolaryzowane fale świetlne mają inną orientację i jasność w porównaniu do światła niespolaryzowanego, nowe zdjęcie pokazuje czarną dziurę jeszcze bardziej szczegółowo. Polaryzacja jest sygnaturą pól magnetycznych, obraz zaś jasno pokazuje, że pierścień czarnej dziury jest namagnesowany.
Pierwszą odkrytą czarną dziurą był Cygnus X-1, znajdujący się w Drodze Mlecznej w gwiazdozbiorze Łabędzia. Astronomowie zauważyli pierwsze jej ślady w 1964 roku, kiedy sondująca rakieta wykryła gwiezdne źródła promieniowania rentgenowskiego. W 1971 roku astronomowie ustalili, że promieniowanie rentgenowskie pochodzi od jasnej „niebieskiej gwiazdy” krążącej wokół dziwnego ciemnego obiektu. Zasugerowano, że wykryte promieniowanie rentgenowskie było wynikiem tego, że materia gwiazdowa została oderwana od jasnej gwiazdy i „pochłonięta” przez ciemny obiekt – pochłaniającą wszystko czarną dziurę. Według Space Telescope Science Institute (STScI) około jedna na tysiąc gwiazd jest wystarczająco masywna, aby stać się czarną dziurą. Najbliższa Ziemi czarna dziura – „Jednorożec” znajduje się około 1 500 lat świetlnych stąd. Znajduje się ona w gwiazdozbiorze jednorożca, posiada masę trzy razy większą od słońca.
Źródło: Wikimedia Commons
Czarne dziury posiadają trzy „warstwy”: zewnętrzny i wewnętrzny horyzont zdarzeń oraz osobliwość.
Horyzont zdarzeń czarnej dziury jest granicą wokół ujścia czarnej dziury, za którą światło nie może uciec. Gdy cząstka przekroczy horyzont zdarzeń, nie może odejść. Grawitacja jest stała na całym horyzoncie zdarzeń.
Wewnętrzny obszar czarnej dziury, w którym leży masa obiektu, jest znany jako jego osobliwość – pojedynczy punkt w czasoprzestrzeni, w którym koncentruje się masa czarnej dziury.
Warto jest podkreślić, że naukowcy nie widzą czarnych dziur w taki sposób, w jaki widzą gwiazdy i inne obiekty w kosmosie, muszą polegać na wykrywaniu promieniowania emitowanego przez czarne dziury, gdy pył i gaz są wciągane do ich gęstego wnętrza. Supermsywne czarne dziury leżące w centrum galaktyki, mogą zostać spowite grubym pyłem i gazem wokół nich, co może blokować charakterystyczne emisje. Czasami, gdy materia jest przyciągana w kierunku czarnej dziury, odbija się rykoszetem od horyzontu zdarzeń i jest wyrzucana na zewnątrz, zamiast być wciągana. Powstają jasne dżety materii poruszające się z prędkościami zbliżonymi do relatywistycznych. Chociaż czarna pozostaje niewidoczna, te potężne dżety można oglądać z dużych odległości.
Zdjęcie czarnej dziury w M87 wykonane przez EHT (opublikowane w 2019 roku) było niezwykłym wysiłkiem, wymagającym dwóch lat badań nawet po wykonaniu zdjęć. To dlatego, że współpraca teleskopów, która rozciąga się na wiele obserwatoriów na całym świecie, wytwarza zdumiewającą ilość danych, które są zbyt duże, aby można je było przesłać przez Internet.
Z czasem naukowcy spodziewają się zobrazować inne czarne dziury i zbudować repozytorium tego, jak wyglądają obiekty. Następnym celem jest prawdopodobnie Sagittarius A. Jak donosi badanie z 2019 roku – Sagittarius A jest intrygujący, ponieważ jest cichszy niż oczekiwano, co może być spowodowane polami magnetycznymi tłumiącymi jego aktywność. Inne badanie przeprowadzone w tym roku wykazało, że chłodne halo gazowe otacza Sagittarius A, co daje przedkłada się na to, jak wygląda środowisko wokół czarnej dziury. Do tej pory astronomowie zidentyfikowali trzy typy czarnych dziur:
- gwiezdne czarne dziury;
- supermasywne czarne;
- pośrednie czarne.
Jak duże są czarne dziury?
Czarne dziury mogą być duże lub małe. Naukowcy uważają, że najmniejsze czarne dziury są tak małe, jak jeden atom. Te czarne dziury są bardzo małe, ale mają masę dużej góry. Masa to ilość materii lub „rzeczy” w przedmiocie. Inny rodzaj czarnej dziury nazywa się „gwiazdową”. Jego masa może być nawet 20 razy większa niż masa Słońca. W ziemskiej galaktyce może być wiele czarnych dziur o masie gwiazdowej. Największe czarne dziury nazywane są „supermasywnymi”. Te czarne dziury mają masy, które razem przekraczają milion słońc. Naukowcy znaleźli dowód na to, że każda duża galaktyka zawiera w swoim centrum supermasywną czarną dziurę.
Gwiezdne czarne dziury – małe, ale niebezpieczne.
Kiedy gwiazda spala resztki paliwa, obiekt może się zapadać lub wpaść w siebie. Dla mniejszych gwiazd (do około trzy razy większych od masy Słońca) nowe jądro stanie się gwiazdą neutronową lub białym karłem. Ale kiedy większa gwiazda zapada się, nadal kompresuje się i tworzy gwiezdną czarną dziurę.
Czarne dziury powstałe w wyniku zapadania się pojedynczych gwiazd są stosunkowo małe, ale niewiarygodnie gęste. Jeden z tych obiektów pakuje w siebie masę trzykrotnie większą od słońca w średnicę o wielkości przeciętnego miasta. Prowadzi to do szalonej ilości siły grawitacyjnej przyciągającej obiekty wokół czarnej dziury. Gwiezdne czarne dziury zużywają następnie pył i gaz z galaktyki, co sprawia, że szybko rosną one w rozmiarach.
Supermasywne czarne dziury – narodziny gigantów
Małe czarne dziury występują powszechnie we wszechświecie, ale dominują ich kuzyni – supermasywne czarne dziury. Te ogromne czarne dziury są miliony, a nawet miliardy razy masywniejsze od Słońca. Uważa się, że takie czarne dziury leżą w centrum prawie każdej galaktyki, w tym Drogi Mlecznej.
Naukowcy nie są pewni, jak powstają tak duże czarne dziury. Gdy te olbrzymy się uformują, gromadzą masę z otaczającego ich pyłu i gazu, materiału, którego jest pod dostatkiem w centrach galaktyk, co pozwala im urosnąć do jeszcze większych rozmiarów.
Supermasywne czarne dziury mogą być wynikiem łączenia się setek lub tysięcy maleńkich czarnych dziur. Mogą również powstawać na skutek zapadania się dużych chmur gazu, które szybko zwiększają masę. Mogą to być także całe gromady gwiazd, które zapadają się razem w podobnym tempie. Supermasywne czarne dziury mogą również powstawać z dużych skupisk ciemnej materii. Jest to substancja, którą możemy obserwować dzięki jej grawitacyjnemu wpływowi na inne obiekty; nie wiemy jednak, z czego składa się ciemna materia, ponieważ nie emituje ona światła i nie można jej bezpośrednio zaobserwować.
Pośrednie czarne dziury
Naukowcy kiedyś myśleli, że czarne dziury występują tylko w małych i dużych rozmiarach, ale badania ujawniły możliwość istnienia średnich lub pośrednich czarnych dziur (IMBH). Takie ciała mogą powstawać, gdy gwiazdy w gromadzie zderzają się w reakcji łańcuchowej. Kilka z tych IMBH formujących się w tym samym regionie może w końcu spaść razem w centrum galaktyki i stworzyć supermasywną czarną dziurę. W 2014 roku astronomowie odkryli coś, co wydawało się być czarną dziurą o masie pośredniej w ramieniu galaktyki spiralnej. A w 2021 roku astronomowie wykorzystali rozbłysk gamma, aby go wykryć.
Współautor badania, Tim Roberts z University of Durham w Wielkiej Brytanii przyznał, że „Astronomowie bardzo intensywnie szukali tych średnich czarnych dziur […] IMBG zachowują się jak dawno zaginiony krewny czarnych dziur, który nie jest zainteresowany znalezieniem rodziny”. Badania z 2018 roku sugerowały, że te IMBH mogą istnieć w sercu galaktyk karłowatych (lub bardzo małych galaktyk). Obserwacje 10 takich galaktyk (z których pięć było wcześniej nieznanych nauce) ujawniły aktywność promieniowania rentgenowskiego – powszechną w czarnych dziurach – co sugeruje obecność czarnych dziur o masie od 36 000 do 316 000 mas Słońca. Informacje pochodzą z Sloan Digital Sky Survey, które bada około 1 miliona galaktyk i może wykryć rodzaj światła często obserwowanego pochodzącego z czarnych dziur, które zbiera pobliskie szczątki.
Binarne czarne dziury: podwójne kłopoty
W 2015 roku astronomowie wykorzystujący Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) wykryli fale grawitacyjne z łączących się gwiezdnych czarnych dziur. David Shoemaker, rzecznik LIGO Scientific Collaboration (LSC), powiedział w oświadczeniu – „Mamy dalsze potwierdzenie istnienia czarnych dziur o masach gwiazdowych, które są większe niż 20 mas Słońca – są to obiekty, o których istnieniu nie wiedzieliśmy, zanim LIGO je wykryło”. Obserwacje LIGO dostarczają również wglądu w kierunek wirowania czarnej dziury – dwie czarne dziury krążą wokół siebie, mogą obracać się w tym samym lub przeciwnym kierunku.
Istnieją dwie teorie na temat powstawania binarnych czarnych dziur. Pierwsza sugeruje, że dwie czarne dziury w układzie binarnym powstały mniej więcej w tym samym czasie, z dwóch gwiazd, które narodziły się razem i zginęły wybuchowo mniej więcej w tym samym czasie. Gwiazdy towarzyszące miałyby taką samą orientację wirowania, jak każda inna, więc dwie pozostawione czarne dziury również miałyby taką samą orientację.
W drugim modelu, czarne dziury powstają z kilku innych czarnych dziur.. Według LIGO Scientific Collaboration takie czarne dziury miałyby losowe orientacje wirowania w stosunku do siebie. Obserwacje LIGO towarzyszących czarnych dziur o różnych orientacjach dostarczają mocniejszych dowodów na tę teorię. Jeden z naukowców LIGO – Keita Kawabe z Caltech pracujący w Oberwatorium LIGO Hanford powiedział, że „Zaczynamy zbierać prawdziwe statystyki dotyczące podwójnych systemów czarnych dziur […] To interesujące, ponieważ niektóre modele formacji podwójnych czarnych dziur są nieco faworyzowane nawet teraz, a w przyszłości możemy to zawęzić”.
Jak powstają czarne dziury?
Naukowcy uważają, że najmniejsze czarne dziury powstały na początku wszechświata. Większość czarnych dziur powstaje z pozostałości dużej gwiazdy, która ginie w wybuchu supernowej. (Mniejsze gwiazdy stają się gęstymi gwiazdami neutronowymi, które nie są wystarczająco masywne, aby zatrzymać światło.) Jeśli całkowita masa gwiazdy jest wystarczająco duża (około trzykrotność masy Słońca), można teoretycznie udowodnić, że żadna siła nie jest w stanie utrzymać gwiazdy przed zapadaniem się pod wpływem grawitacji. Jednak, gdy gwiazda zapada się, dzieje się coś dziwnego. Gdy powierzchnia gwiazdy zbliża się do wyimaginowanej powierzchni zwanej „horyzontem zdarzeń”, czas na gwieździe zwalnia w stosunku do czasu obserwowanego przez obserwatorów z odległości. Gdy powierzchnia dotrze do horyzontu zdarzeń, czas się zatrzyma, a gwiazda nie może się już zapaść – jest to zamrożony zapadający się obiekt.
Nawet większe czarne dziury mogą powstać w wyniku zderzeń gwiazd. Wkrótce po wystrzeleniu w grudniu 2004 roku teleskop Swift NASA zaobserwował potężne, ulotne błyski światła znane jako rozbłyski gamma. Chandra i NASA Hubble Space Telescope zebrały później dane z „poświaty” zdarzenia, a wspólne obserwacje doprowadziły astronomów do wniosku, że potężne eksplozje mogą powstać, gdy zderzają się czarna dziura i gwiazda neutronowa, tworząc kolejną czarną dziurę.
Jeśli czarne dziury są „czarne”, skąd naukowcy wiedzą, że tam są?
Nie można zobaczyć czarnej dziury, ponieważ silna grawitacja wciąga całe światło do jej wnętrza. Ale naukowcy mogą zobaczyć, jak silna grawitacja wpływa na gwiazdy i gaz wokół czarnej dziury. Naukowcy mogą badać gwiazdy, aby dowiedzieć się, czy krążą wokół czarnej dziury, czy ją orbitują. Kiedy czarna dziura i gwiazda znajdują się blisko siebie, powstaje światło o wysokiej energii. Tego rodzaju światła nie widać ludzkimi oczami. Naukowcy używają satelitów i teleskopów w kosmosie, aby zobaczyć światło o wysokiej energii.
Czy czarna dziura może zniszczyć Ziemię?
Czarne dziury nie krążą w kosmosie, jedząc gwiazdy, księżyce i planety. Ziemia nie wpadnie w czarną dziurę, ponieważ żadna czarna dziura nie znajduje się wystarczająco blisko Układu Słonecznego, aby Ziemia mogła to zrobić.
Nawet gdyby czarna dziura o masie Słońca miała zająć miejsce Słońca, Ziemia i tak by do niej nie spadła. Czarna dziura miałaby taką samą grawitację jak Słońce. Ziemia i inne planety okrążyłyby czarną dziurę, tak jak teraz okrążają Słońce. Wspomnieć również należy, że Słońce nigdy nie zamieni się w czarną dziurę, gdyż nie jest wystarczająco dużą gwiazdą, aby się w nią zmienić.
MG
Źródła:
Black holes: Everything you need to know, space.com
Black Holes, science.nasa.gov
What Is a Black Hole?, nasa.gov