„Jak powstają czarne dziury?” – pyta Thimio (11 lat).

Czarne dziury to fascynujące obiekty astrofizyczne. Odkrycia te od stuleci zadziwiają opinię publiczną i fizyków na całym świecie, którzy nadal badają je z wielkim zainteresowaniem. Jedyną tajemnicą pozostaje jego skład, który dziś pozostaje słabo poznany.

Co to jest czarna dziura?

Koncepcja czarnej dziury sięga Francji do Pierre-Simona de Laplace’a (1796), który zastanawiał się, czy możliwe jest, aby obiekt był tak gęsty, że jego prędkość ucieczki (minimalna prędkość potrzebna do uwolnienia się od grawitacji gwiazdy) ) jest większa niż prędkość światła (która wynosi około 300 000 km/s).

Prędkość ucieczki to prędkość, jakiej potrzebuje obiekt, aby uciec przed grawitacją gwiazdy. Na Ziemi prędkość ucieczki wynosi 11,3 km/s (około trzydzieści tysięcy razy mniej niż prędkość światła), co oznacza, że ​​obiekt taki jak rakieta musi osiągnąć tę prędkość, aby uciec w przestrzeń kosmiczną.

Gdyby masa Ziemi była skupiona w kuli o promieniu około 9 mm, grawitacja byłaby znacznie większa, co zatrzymywałoby światło. Dlatego konieczne jest posiadanie gwiazdy znacznie gęstszej od Ziemi, aby uwięzić światło.

„Granica” czarnej dziury

Pomysł ten został wysunięty w 1916 roku, rok po opublikowaniu przez Einsteina ogólnej teorii względności, przez niemieckiego fizyka Karla Schwarzschilda: wykazał on, że wystarczająco gęsty obiekt może uniemożliwić ucieczkę światła z niego.

Gdyby materia lub światło znajdowały się w horyzoncie zdarzeń czarnej dziury, nie mogłyby uciec: ten horyzont to „maksimum” czarnej dziury.

Powierzchnia kuli nazywana jest jej promieniem Promień Schwarzschilda (Jest to zatem „rozmiar czarnej dziury”). Promień ten jest proporcjonalny do masy obiektu i jest bardzo mały: czarna dziura o masie podobnej do masy Słońca miałaby promień około 3 km (w porównaniu do 700 000 km w przypadku Słońca).

Dziś dzięki rozwojowi technik obserwacyjnych możliwe stało się fotografowanie czarnej dziury. Na przykład jest to zdjęcie czarnej dziury w centrum naszej galaktyki, Sagittarius A*.

Różne scenariusze powstawania czarnych dziur

Trudno powiedzieć, jak powstała czarna dziura. Istnieją jednak różne scenariusze powstawania czarnych dziur, w zależności od klasy masy czarnej dziury.

Jeśli istnieje czarna dziura o masie podobnej do masy Słońca, mówimy o gwiezdnej czarnej dziurze. Te czarne dziury powstają w wyniku zapadnięcia się gwiazdy pod koniec jej życia. Kiedy gwiazda przekształca cały wodór w swoim jądrze w hel, grawitacja staje się silniejsza niż ciśnienie, które wypycha materię na zewnątrz, a materia zapada się pod własnym ciężarem.

Jądro staje się znacznie gęstsze i może zamienić się w białego karła, gwiazdę neutronową lub czarną dziurę (w zależności od masy danej gwiazdy).

Podobnie biały karzeł może zapaść się pod wpływem grawitacji i przekształcić w gwiazdę neutronową lub czarną dziurę, gdy przekroczy masę Chandrasekhara (około 1,4 masy Słońca); Gwiazda neutronowa z kolei może zapaść się w czarną dziurę, gdy osiągnie granicę Tolmana-Oppenheimera-Volkoffa (równą około 2,5 masy Słońca).

Przykład planety Tatooine z Gwiezdnych Wojen

Dwie gwiezdne czarne dziury mogą się połączyć, tworząc masywniejszą czarną dziurę. To właśnie dzieje się z tak zwanymi systemami binarnymi.

Układ podwójny składa się z dwóch gwiazd krążących wokół siebie, a nie z jednej gwiazdy, jak w Układzie Słonecznym. Dobrze znanym przykładem w kulturze popularnej jest planeta Tatooine z Gwiezdnych Wojen, która ma dwa słońca.

Niektóre układy podwójne składają się z czarnej dziury i gwiazdy lub dwóch czarnych dziur. W tym przypadku te dwie gwiazdy krążą wokół siebie, zbliżając się, aż do połączenia. Następnie tworzy się czarna dziura, która jest większa niż poprzednia. Zaobserwowano już połączenie dwóch czarnych dziur, w szczególności poprzez fale grawitacyjne.

Istnieje inny typ czarnych dziur: supermasywne czarne dziury o masie od jednego miliona do kilku miliardów mas Słońca. Czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej, Sagittarius A*, jest supermasywną czarną dziurą: jest ponad 4 miliony razy masywniejsza od Słońca.

Supermasywne czarne dziury obserwowano także w centrach innych galaktyk. Pochodzenie tych czarnych dziur jest wciąż przedmiotem wielkiej dyskusji. Jednym z obecnie preferowanych źródeł jest zapadanie się grawitacyjne masywnego obłoku gazu we wczesnym Wszechświecie.

Czarne dziury od dawna stanowią hipotetyczną ciekawostkę naukową, a dziś są obserwowane przez społeczność naukową. Jednak pozostaje wiele tajemnic, takich jak jego skład, ale także to, co kryje się za horyzontem…