Czarne dziury

W 1916 r Albert Einstein wydał swoją ogólna teorię względności. Teoria ta uwzględnia konkretną grupę obiektów, które znajdują się w kosmosie, gdzie pola grawitacyjnego nie da się uwolnić nic, także światło. Einstein określał je ciemnymi ciałami niebieskimi oraz.. sam nie był przekonany czy one w ogóle istnieją. Natomiast racja była po stronie tezy.

Czarna dziura to - mówiąc najprościej - miejsce w czasoprzestrzeni o tak ogromnym polu grawitacyjnym, iż nie da się z niego wysłać na zewnątrz żadnego sygnału ani cząstki. Jej rozmiar definiuje tzw. promień Schwarzschilda (promień grawitacyjny).



Czym są w ogóle takie obiekty, określane dzisiaj jako czarne dziury. A więc czarne dziury są ostatnim stadium narodzin ciał niebieskich o ogromnych masach. Większych aniżeli dziesięć mas Słońc. Podczas swojego życia ciała niebieskie te świecą kosztem energii, która została wyprodukowana w ich wnętrzu na skutek spalania po kolei coraz to cięższych pierwiastków: wodoru, helu, węgla, tlenu itd., aż do momentu utworzenia jądra skonstruowanego z żelaza. W momencie gdy temperatura w tym jądrze uzyska kilkanaście miliardów kelwinów oraz rozpadnie się ono (na hel oraz neutrony), w ułamku sekundy centralne części ciała niebieskiego zapadają się na skutek grawitacji. Jeżeli w tym momencie masa jądra równa jest prawie 1,4-3 mas Słońca, proces ten (tzw. kalops grawitacyjny) będzie trwał do czasu, gdy ciśnienie zdegenerowanego gazu neutronowego zrównoważy siłę grawitacji jądra. Utworzy się wówczas bardzo gęsta, niewielka - o promieniu prawie 10 kilometrów - gwiazda neutronowa. Jeżeli jednak masa jądra jest dużo większa, nic nie jest w stanie zahamować tego zapadania: ani ciśnienie zdegenerowanego gazu elektronów (sytuacja jest taka jeżeli chodzi o białe kały), ani nawet ciśnienie zdegenerowanego gazu neutronów. W końcu w punkcie nieskończenie małym zapada się, mniejszym nawet aniżeli kropelka zamykająca to zdanie. Staje się ona nieskończenie gęstym oraz bezwymiarowym obiektem nazywanym osobliwością. Pole grawitacyjne na około osobliwości jest tak ogromne, iż nic, nawet światło, nie jest w stanie się z niego uciec.

By nasza planeta stała się czarną dziurą, trzeba by było ją ścisnąć do kulki o promieniu prawie 1 centymetra, zatem do wielkości orzecha.

Granicę czarnej dziury jest tzw. horyzont zdarzeń. Pole powierzchni horyzontu mają taką cechę, iż nie jest w stanie się pomniejszać, a co najwyżej wzrosnąć. Znaczy to w szczególności, iż czarne dziury nie są w stanie się rozpadać, ale łączyć. Tworzy się wówczas czarna dziura o takich wymiarach, iż pole powierzchni horyzontu zdarzeń będzie nie mniejsze aniżeli suma pól powierzchni obu czarnych dziur przed złączeniem.

Ze względu na duże pole grawitacyjne czarnej dziury przestrzeń niedaleko nich jest bardzo zakrzywiona. W momencie gdyby ludzie byli niedaleko tego egzotycznego obiektu kosmosu oraz spojrzeliby w niebo, zaobserwowaliby, jak zdumiewająco odmiennie wyglądają znane mu jego elementy.

Gdyby jakaś osoba obserwująca znajdzie się w pobliżu czarnej dziury, horyzont zdarzeń powoduje że mamy wrażenie całkiem spokojnego, statycznego, prawie martwego miejsca. Ale że tak nie jest, przekonamy się, gdy zbliżymy się do czarnej dziury. Gdybyśmy dodatkowo dysponowali rakietą ogromnej mocy, sam byłby w stanie doświadczyć, iż im bliżej horyzontu będzie, tym większej mocy konieczne będzie dla utrzymania się w stałej odległości. W skrajnym przypadku uzyskuje się na horyzoncie zdarzeń potrzebowałoby już nieskończonej mocy silników rakiety. Jeżeli jednak, przez pomyłkę osoba obserwująca przekroczyłaby horyzont zdarzeń nawet o milimetr, przypieczętowałby tym samym swoje dalsze życie- nie można by było już jej pomóc.

Astrofizyk Neil Tyson rozważał co będzie się działo, gdyby coś spadałoby na czarną dziurę. "Czarne dziury to obszary, gdzie grawitacja oszalała. Dla człowieka, który spadłby na czarną dziurę wzrost ciążenia będzie następował tak szybko, iż jeżeli spada stopami w kierunku czarnej dziury, stopy spadną wcześniej aniżeli głowa. Siły wpływowe będą taką osobę rozciągać, aż w końcu rozerwą je na 2 części, a później każdą część jeszcze na kolejne dwie. Taki proces nazywa się bifurkacją zachodzi przez całą dalszą drogę ku osobliwości, która jest w samym wnętrzu czarnej dziury. Wszystkie obiekty docierają tam w formie strumienia atomów, opadającego na dno otchłani. (...). To właśnie będzie się działo się z ciałem człowieka, który spadnie na czarną dziurę".

Jeżeli patrzymy z punktu fizyki to nie ma ograniczeń w zakresie wielkości czarnych dziur. Można zatem oczekiwać, iż w kosmosie są zarówno małe czarne dziury, jak i giganty o masach milionów a niejednokrotnie miliardów Słońc. Oszacować można że w Drodze Mlecznej jest około sto milionów czarnych dziur. W samym centrum naszej Drogi Mlecznej jest supermasywna czarna dziura, która bardzo wolno zjada naszą Drogę Mleczną



Na skutek błyskotliwych prac Stephena Howkinga wiemy dzisiaj, iż czarne dziury nie są nieśmiertelne ale "parują". Da się to jedynie wytłumaczyć jedynie na gruncie mechaniki kwantowej. Jesteśmy w stanie sobie to tylko wyobrazić. Kiedy zatem czarna dziura zjada następne gwiazdy w zamian oddaje jeden atom itd., w rezultacie umiera ona w ostatnim błysku promieniowania. W taki również sposób będzie koniec wszelkich galaktyk. Ale zanim do tego dojdzie upłynie gugol lat, czyli jedynka oraz sto zer, jest to zatem bardzo dużo.

Kwazary



Kwazary są to aktywne jądra odległych galaktyk, które swoja jasnością przewyższają całą galaktykę macierzystą. To jest właśnie powodem, że ich obrazy w świetle widzialnym są prawie punktowych rozmiarów. Kwazary są ogromnymi radioźródłami. W ich widmie zaobserwować można silne oraz szerokie linie emisyjne o ogromnym przesunięciu ku czerwieni (od 0,1 do prawie 6,1). Widmo ciągłe kwazarów wykazuje nadwyżkę jasności w ultrafiolecie. Za aktywność kwazarów odpowiedzialne jest przypuszczalnie obecność w ich wnętrzu czarnej dziury, która ściąga materię z otoczenia.

Pierwszy kwazar wykrył w 1963 r Maarten Schmidt. Był to kwazar nazywany 3C-273 w konsternacji Panny (Virgo). Kwazary są również znane jako QSO (ang. Quasi-stellar object - obiekt gwiazdopodobny) albo quasi stellar astronomical radiosource.



W widmie promieniowania kwazaru zaobserwować można także wąskie linie emisyjne. Za ich utworzenie odpowiedzialny jest obłok gazu, który rozciąga się na sto parseków. Masa obłoku równa jest prawie 100.000 mas Słońca, natomiast do jego składu zalicza się wodór, hel, węgiel, azot, tlen, magnez oraz żelazo. Ruch obłoków nie został jeszcze precyzyjnie wytłumaczony. Obszar wysyłający szerokie linie jest bliżej centrum aktywności oraz posiada rozmiary rzędu jednego parseka. Masa świecącego gazu nie przewyższa dziesięć mas Słońca. Prawdopodobnie gaz, który jest w formie obłoków, które tworzą dysk akrecyjny na około będącej we wnętrzu czarnej dziury. Skład gazu jest podobny do składu późniejszych obłoków.

Ilość energii jaka jest wysyłana przez kwazary jest w prawie taka sama dla wszystkich przedziałów widma.

Dzieje się tak bo, czy na około kwazaru da się zobaczyć poświatę galaktyki krążącej na około niego, czy też będzie on widoczny jako źródło punktowe, uzależnione jest od rozmiarów teleskopu. Okazało się, iż kwazary to obiekty o jasności absolutnej większej aniżeli -dwadzieścia trzy magnitudo. Na skutek tak ogromnej jasności absolutnej kwazary są zauważalne z dużych odległości, które porównywalne są z rozmiarami kosmosu.

Kwazary oddalają się od naszej planety z szybkościami, które porównywalne są z prędkością światła. Większa część astronomów uważa, iż te duże szybkości są spowodowane rozszerzaniem się kosmosu - kwazary "uciekają" od nas z ogromną szybkością, ponieważ są w znacznych odległościach od nas. Ale dosyć duża mniejszość, zaliczając w to znanego astronoma Freda Hoyle'a, uważała, iż kwazary są znacznie bliżej nas. Argumentem za była bliskość na sferze niebieskiej między kwazarami oraz bliskimi galaktykami, pokazując dzięki temu, iż kwazary są czymś, co wcześniej jakiś czas temu zostało przez te galaktyki wystrzelone.

Jeden z najbardziej odległych kwazarów, definiowany symbolem 0051-279, "ucieka" z szybkością 280,000 km/s, zatem tylko o 10 % wolniej aniżeli "biegnie" światło (300,000 km/s). W 1997 r wykryto kwazar, któremu dano symbol 0051-229. Oddalony jest od naszej planety o prawie szesnaście miliardów lat świetlnych. Jest to prawie sam skraj kosmosu. Całkiem niedawno bo siódmego czerwca 1998 r. kosmonauci spojrzeli dalej aniżeli kiedykolwiek oraz zarejestrowali jeszcze dalej położone obiekty jakie kiedykolwiek udało się zaobserwować. Są nimi 2 kwazary, stworzone gdy kosmos miał jedynie osiemset milionów lat. W skali kosmosu jest to mniej aniżeli mrugnięcie okiem.

Tworzenie się galaktyk

Prawie piętnaście miliardów lat temu, jakieś pięćset milionów lat po Wielkim Wybuchu z obłoków wodoru utworzyło się pierwsze ciało niebieskie. Wedle praw fizyki ciała niebieskie zbliżają się do siebie sprawiając tworzenie się galaktyk. Grawitacja sprawi, że utworzy się coraz to znacznych skupisk ciał niebieskich oraz materii, które podzielą się potem na odrębne jądra galaktyk. Gdy czas będzie upływał jądra złączą się ze sobą utworzą ogromny, pojedynczy obiekt. Dla astronomów i fizyków to kluczowy proces w tworzeniu się galaktyk. Między innymi Droga Mleczna jest skonstruowana z kilku mniejszych subgalaktyk. Budowa ewoluowała uzyskując coraz większa skalę. Aktualnie astrofizycy uważają, iż w czasie tworzenia się naszej galaktyki na początku zapadły się obłoki małe - kilka różnych obłoków. Oddziaływały one ze sobą, krążyły na około siebie, zderzały, łączyły się, aż w rezultacie utworzyła się struktura, którą nazywa się galaktyką. Proces ten trwa cały czas.

Nasza galaktyka zachowała moment pędu gromad gwiezdnych z których się utworzyła. Rozległy układ gwiezdny rozleciał i utworzył dysk. Galaktyka uległa spłaszczeniu. Aktualnie jej grubość jest pięć razy mniejsza od szerokości, natomiast światło musiałoby mieć 100,000 lat, by przemierzyć ją wzdłuż. Układ Słoneczny jest się około 2/3 promienia dysku galaktycznego od jądra Drogi Mlecznej.



Galaktyki posiadają również kilka innych form. Astrofizycy dzielą je jak zwierzątka. Mowa jest czasami nawet o zoogalaktykach. "Są galaktyki duże, grube, małe, chude, wykrzywione, a nawet takie co wyglądają jak wrak pociągu" - mówi Neil Tyson. - "Nasza galaktyka, układ Drogi Mlecznej jest wyjątkowo płaska, nie ma w tym nic niesamowitego, po prostu tak się zdarzyło". Pośród 100 miliardów galaktyk oglądanego kosmosu są podobnej do niej, a w samym jej wnętrzu jest zgrubienie. Astronomowie określają je jako bołdżen. Nasza galaktyka przypomina trochę jajko sadzone, różnica polega na tym, że jest trochę cieńsza.