Czarne dziury, kwazary i o powstaniu galaktyk

Czarne dziury

W 1916 roku Albert Einstein opublikował ogólna teorię względności. Teoria ta uwzględnia pewna klasę obiektów znajdujących się we wszechświecie, z których pola grawitacyjnego nie może uwolnić się nic, nawet światło. Einstein nazwał je ciemnymi gwiazdami i... sam nie wierzył w ich istnienie. Jednak racja była po stronie teorii.

Ale czym są naprawdę obiekty, znane dziś pod nazwą czarne dziury. Otóż czarne dziury są ostatnim stadium ewolucyjnym gwiazd o dużych masach. Większych niż 10 mas Słońc. W czasie swojego życia gwiazdy te świecą kosztem energii wyprodukowanej w ich wnętrzach wskutek spalania kolejno coraz to cięższych pierwiastków: wodoru, helu, węgla, tlenu itd., aż do wytworzenia jądra zbudowanego z żelaza. Gdy temperatura w takim jądrze osiągnie kilka miliardów kelwinów i rozpada się ono (na hel i neutrony), w ułamku sekundy centralne części gwiazdy zapadają się pod wpływem grawitacji. Jeśli w tym czasie masa jądra wynosi około 1,4-3 mas Słońca, proces ten (tzw. kalops grawitacyjny) trwa do momentu, gdy ciśnienie zdegenerowanego gazu neutronowego zrównoważy siłę grawitacji jądra. Powstaje wtedy bardzo gęsta, mała – o promieniu około 10 kilometrów – gwiazda neutronowa. jeśli jednak masa jądra jest większa, nic nie może zahamować tego zapadania: ani ciśnienie zdegenerowanego gazu elektronów (jak to się dzieje w przypadku białych karłów), ani nawet ciśnienie zdegenerowanego gazu neutronów. W końcu zapada się ono w punkcie nieskończenie mniejszym niż kropka zamykająca te zdanie. Staje się ona nieskończenie gęstym i bezwymiarowym obiektem zwanym osobliwością. Pole grawitacyjne wokół osobliwości jest tak silne, że nic, nawet światło, nie może się z niego wydostać.

Czarna dziura to – mówiąc najkrócej – obszar czasoprzestrzeni o tak silnym polu grawitacyjnym, że nie można z niego wysłać na zewnątrz żadnego sygnału ani cząsteczki. Jej rozmiar określa tzw. promień Schwarzschilda (promień grawitacyjny).
Żeby Ziemia stała się czarną dziurą, należałoby ją ścisnąć do kuli o promieniu około 1 centymetra, czyli do wielkości orzecha.

Granicę czarnej dziury stanowi tzw. horyzont zdarzeń. Pole powierzchni horyzontu ma tę właściwość, że nie może się zmniejszać, a co najwyżej rosnąć. Oznacza to w szczególności, że czarne dziury nie mogą się rozpadać, lecz łączyć. Powstaje wtedy czarna dziura o takich rozmiarach, że pole powierzchni horyzontu zdarzeń będzie nie mniejsze niż suma pól powierzchni obu czarnych dziur przed połączeniem.

Ze względu na potężne pole grawitacyjne czarnej dziury przestrzeń w ich pobliżu jest silnie zakrzywiona. Gdyby człowiek znalazł się niedaleko tego egzotycznego obiektu wszechświata i spojrzał w niebo, zobaczyłby, jak zdumiewająco odmiennie wyglądają znane mu jego fragmenty.

Gdy jakiś obserwator znajduje się niedaleko czarnej dziury, horyzont zdarzeń stwarza wrażenie całkiem spokojnego, statycznego, wręcz martwego miejsca. Jednak że tak nie jest, przekonałby się, zbliżając się do czarnej dziury. Gdyby do tego dysponował rakietą dowolnie dużej mocy, sam mógłby doświadczyć, że im bliżej horyzontu się znajduje, tym większej mocy potrzebuje dla utrzymania się w stałej odległości. W skrajnym przypadku utrzymanie się na horyzoncie zdarzeń wymagałoby już nieskończonej mocy silników rakiety. Jeśli jednak, przez pomyłkę ów obserwator przekroczyłby horyzont zdarzeń choćby o milimetr, przypieczętowałby tym samym swój los – nie byłoby już dla niego ratunku.

Astrofizyk Neil Tyson rozważa konsekwencje spadania na czarną dziurę. „Czarne dziury to miejsca, w których grawitacja oszalała. Dla osoby spadającej na czarną dziurę wzrost ciążenia będzie następował tak gwałtownie, że jeśli spada stopami w stronę czarnej dziury, stopy spadają szybciej niż głowa. Siły wpływowe będą takiego delikwenta rozciągać, aż w końcu rozerwą je na dwie części, a każdą z nich na dwie następne. Taki proces nazywany bifurkacją zachodzi przez całą dalszą drogę ku osobliwości, która znajduje się w samym środku czarnej dziury. Każdy obiekt dociera tam w postaci strumienia atomów, opadającego na dno otchłani. (...). To właśnie stanie się z ciałem osoby spadającej na czarną dziurę”.

Ale w odróżnieniu od opisywanej powyżej nierotującej czarnej dziury istnieje także, rotująca czarna dziura, w której inaczej rzecz się ma. Promień takiej czarnej dziury jest mniejszy od promienia stacjonarnej czarnej dziury o takiej samej masie. Wokół rotującej czarnej dziury na zewnątrz horyzontu zdarzeń powstaje obszar zwany ergosferą. W strefie pomiędzy horyzontem zdarzeń a powierzchnią ergosfery materia nie może pozostawać w stanie spoczynku. Musi obracać się razem z czarną dziurą, i to zgodnie z kierunkiem jej obrotu. Człowiek nie mógłby się więc w tej strefie utrzymać w wybranym przez siebie miejscu, nawet gdyby dysponował pojazdem kosmicznym o nieskończonej mocy silników.

W 1974 roku wybitny brytyjski fizyk Stephen Hawking wykazał, że czarne dziury wcale nie muszą być czarne i mogą świecić. Udowodnił, że można im przypisać temperaturę tym większą, im większą mają masę. Oznacza to, że tak jak każde ciało o temperaturze większej niż zero bezwzględne (zero kelwinów, czyli –273,150C czarna dziura powinna promieniować. Źródłem tego promieniowania nie jest sama czarna dziura, ale bardzo bliskie otoczenie horyzontu zdarzeń. Z obliczeń wynika, że temperatura czarnej dziury o masie kilku mas Słońca jest zaledwie o mikroskopijną część kelwina wyższa niż zero bezwzględne. To zbyt mało, by czarna dziura mogła świecić w zauważalny sposób. Poza tym cały wszechświat przenika mikrofalowe promieniowanie tła, będące pozostałością po Wielkim Wybuchu, o wyższej temperaturze (2,7 K). Czarna dziura będzie w tej sytuacji pochłaniała energię z cieplejszego otoczenia. Nie może wobec tego świecić. Sytuacja zmienia się diametralnie w przypadku czarnych dziur o małych masach.

Z punktu widzenia fizyki nie ma ograniczeń w zakresie wielkości czarnych dziur. Można więc oczekiwać, że we wszechświecie występują zarówno niewielkie czarne dziury, jak i giganty o masach milionów czy nawet miliardów Słońc. Szacuje się że w Drodze Mlecznej występuje około 100 milionów czarnych dziur. W samym centrum naszej Drogi Mlecznej istnieje supermasywna czarna dziura, która powoli pożera naszą Drogę Mleczną.

Skoro czarne dziury o wielkich masach nie świecą , to w jaki sposób można je zaobserwować? Co prawda, nie można bezpośrednio zobaczyć czarnej dziury, ale uczeni potrafią pośrednio wnioskować o jej obecności na podstawie grawitacyjnego oddziaływania z otoczeniem. Dla zewnętrznego obserwatora pole grawitacyjne czarnej dziury niczym się nie różni od pola grawitacyjnego zwykłej gwiazdy. Aby czarna dziury zaznaczyła swoje istnienie, w jej pobliżu musi znaleźć się materia. W obecności bardzo silnego pola grawitacyjnego będzie ona „drogowskazem” sygnalizującym czarna dziurę. Idealnym obiektem do tego typu poszukiwań są układy podwójne gwiazd. W takich przypadkach uczeni potrafią oszacować masę obiektu.
Astronomowie wytypowali kilkadziesiąt obiektów – prawdopodobnie czarnych dziur. Najbardziej znanym, jednym z pierwszych, jest układ podwójny Cyg X-1. skrót ten oznacza, że obiekt ten znajduje się w gwiazdozbiorze Łabędzia (Cygnus), który był pierwszym zidentyfikowanym źródłem promieniowania X (rentgenowskiego) w tym gwiazdozbiorze. Cyg X-1 to jeden z najsilniejszych źródeł na całym niebie w tym zakresie widma. Znajduje się w odległości około 8 tysięcy lat świetlnych od nas. Tworzą go biały nadolbrzym i zwarty niewidoczny obiekt. Okres obiegu w tym układzie wynosi 5,6 dnia. Masę niewidocznego składnika szacuje się na około 6-10 mas Słońca. Jest to zbyt dużo jak na gwiazdę neutronową. Cygnus X-1 jest prawie stuprocentowym kandydatem na czarna dziurę.

Dzięki błyskotliwym pracom Stephena Howkinga wiemy dziś, że czarne dziury nie są nieśmiertelne ale „parują”. Można to jednak zrozumieć tylko na gruncie mechaniki kwantowej. Możemy sobie to wyobrazić. Kiedy więc czarna dziura pożera kolejne ciała niebieskie w zamian oddaje jeden atom itd., w końcu ginie ona w ostatnim błysku promieniowania. W taki także sposób będzie koniec wszystkich galaktyk. Jednak zanim to zastąpi minie gugol lat, czyli jedynka i sto zer, jest to więc bardzo dużo...

Kwazary

Kwazary są to aktywne jądra odległych galaktyk, które swoja jasnością przewyższają całą galaktykę macierzystą. Dlatego ich obrazy w świetle widzialnym są niemal punktowych rozmiarów. Kwazary są silnymi radioźródłami. W ich widmie obserwuje się silne i szerokie linie emisyjne o bardzo dużym przesunięciu ku czerwieni (od 0,1 do nawet 6,1). Widmo ciągłe kwazarów wykazuje nadwyżkę jasności w ultrafiolecie. Za aktywność kwazarów odpowiada prawdopodobnie obecność w ich środku czarnej dziury, ściągającej materię z otoczenia.
Pierwszy kwazar odkrył w 1963 roku Maarten Schmidt. Był to kwazar nazwany 3C-273 w konsternacji Panny (Virgo). Kwazary są też znane jako QSO (ang. Quasi-stellar object – obiekt gwiazdopodobny) lub quasi stellar astronomical radiosource.

W widmie promieniowania kwazaru obserwuje się również wąskie linie emisyjne. Za ich powstanie odpowiedzialny jest obłok gazu rozciągający się na 100 parseków. Masa obłoku wynosi około 100.000 mas Słońca, a w jego skład wchodzi wodór, hel, węgiel, azot, tlen, magnez i żelazo. Ruch obłoków nie został jeszcze dokładnie wyjaśniony. Obszar emitujący szerokie linie znajduje się bliżej centrum aktywności i ma rozmiary rzędu jednego parseka. Masa świecącego gazu nie przekracza 10 mas Słońca. Najprawdopodobniej gaz znajdujący się w formie obłoków tworzący dysk akrecyjny wokół znajdującej się w środku czarnej dziury. Skład gazu jest zbliżony do składu dalszych obłoków.

Ilość energii wysyłanej przez kwazary jest w przybliżeniu jednakowa dla każdego przydziału widma.
Ponieważ to, czy wokół kwazaru uda się zaobserwować poświatę galaktyki krążącej wokół niego, czy też będzie on widoczny jako źródło punktowe, zależy od rozmiarów teleskopu, uznano, że kwazary to obiekty o jasności absolutnej większej niż –23 magnitudo. Dzięki tak dużej jasnościom absolutnym kwazary są widoczne z wielkich odległości, porównywalnych z rozmiarami wszechświata.

Kwazary zdają się oddalać od Ziemi z prędkościami porównywalnymi z prędkością światła. Większość astronomów wierzy, że te wielkie prędkości są wynikiem rozszerzania się wszechświata – kwazary „uciekają” od nas bardzo szybko, bo znajdują się bardzo daleko. Jednak dosyć silna mniejszość, włączając w to znanego astronoma Freda Hoyle’a, twierdziła, że kwazary znajdują się znacznie bliżej. W szczególności wskazywali oni na bliskość na sferze niebieskiej pomiędzy kwazarami i pobliskimi galaktykami, sugerując w ten sposób, że kwazary są czymś, co kiedyś zostało przez te galaktyki wystrzelone.

Jeden z najodleglejszych kwazarów, określany symbolem 0051-279, „ucieka” z prędkością 280,000 km/s, czyli jedynie o 10 % wolniej niż „biegnie” światło (300,000 km/s). W 1997 roku odkryto kwazar, któremu nadano symbol 0051-229. Oddalony jest od Ziemi o około 16 miliardów lat świetlnych. Jest to niemal sam skraj wszechświata. Jeszcze niedawno bo 7 czerwca ubiegłego roku astronomowie spojrzeli dalej niż kiedykolwiek i zarejestrowali najdalsze obiekty jakie kiedykolwiek udało się zobaczyć. Są nimi dwa kwazary, utworzone gdy wszechświat miał zaledwie 800 milionów lat. W skali wszechświata jest to mniej niż mrugnięcie okiem.


Powstanie galaktyk

Około 15 miliardów lat temu, jakieś 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu z obłoków wodoru powstała pierwsza gwiazda. Według praw fizyki gwiazdy zbliżały się do siebie powodując powstawanie galaktyk. Grawitacja powoduje powstawanie coraz to większych skupisk gwiazd i materii, które dzielą się później na odrębne jądra galaktyk. Z upływem czasu jądra łączyły się ze sobą tworząc większy, pojedynczy obiekt. Dla astrofizyków to kluczowy proces w powstawaniu galaktyk. Na przykład Droga Mleczna została zbudowana z wielu mniejszych subgalaktyk. Struktura ewoluowała osiągając coraz większa skalę. Dziś astrofizycy sądzą, że podczas ewolucji naszej galaktyki najpierw zapadły się obłoki najmniejsze – wiele różnych obłoków. Oddziaływały one ze sobą, krążyły wokół siebie, zderzały, łączyły się, aż w końcu powstała struktura, którą nazywamy galaktyką. W gruncie rzeczy proces ten trwa nadal.

Nasza galaktyka zachowała moment pędu gromad gwiezdnych z których powstała. Rozległy układ gwiezdny rozkręcił się tworząc dysk. Galaktyka uległa spłaszczeniu. Obecnie jej grubość jest pięćdziesięciokrotnie mniejsza od szerokości, a światło potrzebowałoby 100,000 lat, żeby przemierzyć ją wzdłuż. Układ Słoneczny znajduje się około 2/3 promienia dysku galaktycznego od jądra Drogi Mlecznej.

Galaktyki mają też wiele innych kształtów. Astrofizycy klasyfikują je jak zwierzęta. Mówi się 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”. Wśród stu miliardów galaktyk obserwowalnego wszechświata istnieją miliony podobnej do niej, a w samym jej środku występuje zgrubienie. Astronomowie nazywają je bołdżen. Nasza galaktyka przypomina nieco jajko sadzone, tyle tylko, że jest cieńsza.

druid

------------------------------

Źródła:
Badanie Wszechświata – Discovery Channel
http://www.astronet.pl
Wszechświat Colina Ronana
1001 spotkań z nauką Jamesa Trefila
Życie Świata