Terminu „czarna dziura” po raz pierwszy użył John Wheeler w 1969 roku, jednak sama idea czarnych dziur jest znacznie starsza. Pierwsze przypuszczenia o istnieniu tego typu obiektów zostaly opublikowane już w 1783 przez Johna Michella w Philosophical Transactions of the Royal Society of London. W swojej pracy Michell wykazał, że gwiazda o dostatecznie dużej masie i gęstości wytwarzałaby tak silne pole grawitacyjne, że światło nie mogłoby jej opuścić. Takich obiektów nie możnaby zobaczyć, ale możliwe byłoby wykrycie ich obecności, dzięki ich przyciąganiu grawitacyjnemu.
Jak powstają czarne dziury?
Czarne dziury mogą powstawać na różne sposoby. Po pierwsze tzw. pierwotne czarne dziury mogą istnieć od początku Wszechświata. Mogły powstać z gęstej materii, z której był zbudowany Wszechświat w pierwszych chwilach swojego istnienia. Jednak takie obiekty powinny emitować promieniowanie Hawkinga (o którym będzie mowa później) w zakresie rentgenowskim i gamma; takie obiekty nie zostały zaobserwowane, jednak może ich być ok. 300 na rok sześcienny. Dużo ciekawszym mechanizmem jest powstawanie czarnych dziur z martwych gwiazd, którym skończyło się paliwo jądrowe. Jak wiadomo, gwiazdy zużywają lekkie pierwiastki w reakcjach termojądrowych, aby ciśnienie promieniowania powstałego w tych reakcjach zrównoważylo siłę grawitacji, zapobiegając w ten sposób swojemu zapadaniu. Jeśli jednak lekkie pierwiastki przereagują w cięższe jądra żelaza, ich dalsza synteza jest już niekożystna energetycznie i gwiazda zaczyna sie kurczyć. Jeżeli masa gwiazdy jest większa od tzw. masy Chandrasekhara (ok. 1.4 masy Słońca), zapadanie zostanie zatrzymane przez ciśnienie materii, które jest konsekwencją zasady wykluczania Pauliego i gwiazda taka kończy jako biały karzeł. Jeżeli jednak masa gwiazdy jest ok. 2 razy większa od masy Słońca, ciśnienie materii jest zbyt słabe by zatrzymać zapadanie. Elektrony spadają na protony i tworzy sie gęsta gwiazda o gęstości jądra atomowego utrzymywana w równowadze dzięki ciśnieniu gazu neutronowego: gwiazda neutronowa. Z teoretycznych rozwarzań wynika, że jeżeli masa gwiazdy jest jeszcze większa, powstaje tzw. gwiazda dziwna, utrzymywana w równowadze, dzięki ciśnieniu kwarków. Jednakże proces taki nie może trwać w nieskończoność; gdy gwiazda ma wystarczająco dużą mase, jej promień staje się tak mały, a gęstość tak duża, że światło, a zatem także żaden inny obiekt nie może uciec z jej powierzchni. Powstaje czarna dziura. Jendnakże najprawdopodobniej nie są to jedyne możliwości powstawania czarnych dziur. Obliczenia wykazały, że dla każdej masy istnieje pewien promień krytyczny, tzw. promień Schwarzschilda, taki, że po ściśnięciu materii do kuli o tym promieniu, powstaje czarna dziura. Dla przykładu Słońce trzeba by ścisnąc do kuli o średnicy 2.9 km, a Ziemię – do ok. 0.88 cm. Ogólnie, promień Schwarzschilda dla dowolnej masy M wynosi 2GM/c², gdzie G – stala grawitacji, c – prędkość światła. Z powyższego wynika, że – teoretycznie – mogą istnieć także czarne dziury nie aż tak masywne, jakie były rozwarzane dotychczas (rzędu kilku, kilkudziesięciu, lub nawet kilkuset mas Słońca), jednakże, aby powstały, materia musi zostać poddana olbrzymiemu ciśnieniu zewnętrznemu. Być może taką mikroskopijną czarną dziurę będzie można już niedługo otrzymać w LHC w CERN. Ten „wielki zderzacz hadronów” (Large Hadron Collider) ma zderzać cząstki z energią w układzie środka masy równą ok. 14 TeV. Ma zostać uruchomiony około 2007 roku.
Jak żyją czarne dziury?
Czarne dziury mają tylko trzy własności: masę, prędkość rotacji oraz ładunek. Brak innych własności określa się nieco żartobliwie maksymą „czarna dziura nie ma włosów”. Oznacza to, że olbrzymia ilość informacji o obiekcie, z którego powstała czarna dziura, jak na przykład jego kształt, jest tracona (do problemu utraty informacji w czarnych dziurach jeszcze wrócimy). Znacznie ogranicza to liczbę typów czarnych dziur. Każda nie obracająca się czarna dziura jest doskonale sferyczna, natomiast obracające się czarne dziury wybrzuszają się w stronę równika. Rzeczywiste czarne dziury nie posiadają ładunku, ponieważ jeśli naładowana materia wpadnie do nich, zaczną odpychać materię tego samego ładunku, a przyciągać przeciwnego, aż staną się znów neutralne. Za wnętrze czarnej dziury uważa się zbiór zdarzeń (czyli punktów w czasoprzestrzeni), z których światło nie może się wydostać. Promienie świetlne którym niewiele zabrakło do ucieczki z czarnej dziury tworzą tzw. horyzont zdarzeń. Stephen Hawking odkrył, że powierzchnia horyzontu nie może nigdy zmaleć, ponieważ wtedy promienie świetlne tworzące go mogłyby się zderzyć i wpaść do czarnej dziury. Pod tym względem horyzont zdarzeń przypomina wielkość fizyczną zwaną entropią, która określa stopień nieuporządkowania układu. Z drugiej zasady termodynamiki wiemy, że entropia nigdy nie maleje. Można zmniejszyć nieporządek, ale potrzeba do tego pewnego nakładu pracy; trzeba zatem zużyć uporządkowaną energię. Zatem aby zmniejszyć entropię w jednym miejscu, trzeba powiększyć ją w innym. Ale jak sprawa się ma w przypadku czarnych dziur? Jeżeli nieuporządkowana materia wpadłaby do czarnej dziury, to całkowita entropia materii na zewnatrz musiałaby zmaleć, co przeczy drugiej zasadzie termodynamiki. To doprowadziło Hawkinga do wysunięcia hipotezy, że czarna dziura musi mieć niezerową entropię, której miarą jest właśnie powierzchnia horyzonu zdarzeń. Jenakże skoro czarna dziura ma niezerową entropię, to musi mieć rownież niezerową temperaturę, a jako taka musi promieniować, tymczasem – jakby z definicji – czarna dziura nie powinna promieniować. Rozwiązanie tego paradoksu daje mechanika kwantowa. W myśl zasady kwantowej nieoznaczoności przestrzeń nie może być pusta. Jest wypełniona morzem tzw. cząstek wirtualnych. Cząstki te tworzą się na krótką chwilę i anihilują wzajemnie. Jeżeli taka para powstanie blisko horyzontu zdarzeń, to jedna z cząstek może wpaść do czarnej dziury zanim zdążąy anihilować; wtedy drugą cząstkę, która stanie się już cząstką rzeczywistą, będziemy postrzegali, jak gdyby została wypromieniowana przez czarną dziurę. Oczywiście, żeby zadość uczynić prawu zachowania energii, cząstka wpadająca do czarnej dziury musi mieć ujemną energię, równoważącą energię wypromieniowanej cząstki. Tak więc czarna dziura powoli paruje, tracąc energię na promieniowanie. Takie promieniowanie nazywa się promieniowaniem Hawkinga; z obliczeń wynika, że promieniowanie to ma widmo termiczne takie samo jak ciało doskonale czarne. Z początku sądzono, że materia wpadająca do czarnej dziury traci tożsamość i cała informacja wpadająca do czarnej dziury jest tracona. Jednak obecnie uczeni są zdania, że dzięki promieniowaniu Hawkinga, nie musi tak być. Latem 2004 ten pogląd przyjął również Hawking. Jednym z możliwych mechanizmów wydostawania się informacji z czarnych dziur jest teleportacja przez horyzont zdarzeń. Mechanizm ten został przedstawiony przez Gary'ego Horowitza i Juana Maldacenę w 2003 roku. Teleportację przeprowadzano już wielorotnie w laboratoriach. Działa ona dzięki efektowi kwantowego splątania. Układ dwóch cząstek jest opisywany funkcją falową, która jest złożeniem funkcji falowych obu cząstek. Jeżeli stan jednej z nich ulegnie zmianie, informacja o tym natychmiast dotrze do drugiej cząstki, ponieważ zmianie ulegnie funkcja falowa obu cząstek jako całości. W przypadku czarnych dziur splątana para cząstek to cząstki wirtualene tworzące się w pobliżu horyzontu zdarzeń. Jedna z nich wpada do czarnej dziury, oddziałuje z materią w jej wnętrzu i teleportuje informacje o niej – w zakodowanej formie – do drugiej cząstki. Tak więc czarna dziura działa jak komputer: dostaje informacje w postaci wpadającej do niej materii, a następnie przetwarza je i wyniki obliczeń „zapisuje” w postaci promieniowania Hawkinga. Niestety, jak dotąd, nie wykryto promieniowania Hawkinga, ani pierwotnych czarnych dziur. Kiedy się to stanie Hawking z pewnością dostanie zasłużoną nagrodę Nobla.
Jak umierają czarne dziury?
Nie wiadomo zbyt dużo co się dzieje z czarną dziurą, gdy wskutek promieniowania jej masa stanie się bardzo mała. Wiemy, że im mniejsza masa czarnej dziury, tym większa jest jej temperatura, więc i natężenie promieniowania. Należy zatem przypuszczać, że czarna dziura po prostu znika w ogromnym wybuchu promieniowania. Czarne dziury mające masę równą kilku masom Słońca, a więc te powstające wskutek grawitacyjnego zapadania się gwiazd, mają temperaturę rzędu zaledwie jednej dziesięciomilionowej kelwina. Temperatura promieniowania reliktowego wypełniającego Wszechświat wynosi ok 2.7 K, więc takie czarne dziury więcej promieniowania absorbują niż emitują; są więc narazie stabilne. Jednak jeżeli wszechświat będzie się wiecznie rozszerzał, temperatura promieniowania spadnie w końcu poniżej temperatury czarnej dziury i zacznie ona tracić masę. Taki proces trawałby jednak ok. 1066 lat (1 i 66 zer). To znacznie więcej niż wiek Wszechświata wynoszący ok. 1010 lat. Być może kiedy zostanie uruchomiony LHC, bedziemy mieli możliwość „wyprodukowania” czarnej dziury i zbadania produktów jej rozpadu. Wtedy dowiemy się więcej o czarnych dziurach, ich własnościach, oraz w jaki sposób umierają.
--------------------------------------------------------------------------------
Bibliografia
Krótka historia czasu Stephen Hawking
Teoria wszystkiego Stephen Hawking
Czarne dziury i wszechświaty niemowlęce Stephen Hawking
Encyklopedia fizyki kwantowej John Gribbin
Użytkownik witek32 edytował ten post 17.08.2010 - 16:41
