Čierna diera

História

V roku 1783 anglický duchovný John Michell napísal, že je možné, aby niečo bolo také ťažké, že by ste museli ísť rýchlosťou svetla, aby ste sa dostali z jeho gravitácie. Gravitácia je silnejšia, keď je niečo väčšie alebo hmotnejšie. Aby malá vec, ako napríklad raketa, unikla z väčšej veci, ako je Zem, musí uniknúť príťažlivosti našej gravitácie, inak spadne späť. Rýchlosť, ktorú musí vyvinúť smerom nahor, aby sa dostala preč od gravitácie Zeme, sa nazýva úniková rýchlosť. Väčšie planéty (ako Jupiter) a hviezdy majú väčšiu hmotnosť a silnejšiu gravitáciu ako Zem. Preto je úniková rýchlosť oveľa vyššia. John Michell si myslel, že je možné, aby niečo bolo také veľké, že úniková rýchlosť bude väčšia ako rýchlosť svetla, takže ani svetlo nemôže uniknúť. V roku 1796 Pierre-Simon Laplace presadzoval rovnakú myšlienku v prvom a druhom vydaní svojej knihy Exposition du système du Monde (z neskorších vydaní bola odstránená).

Niektorí vedci si mysleli, že Michell má pravdu, ale iní si mysleli, že svetlo nemá hmotnosť a gravitácia ho neťahá. Na jeho teóriu sa zabudlo.

V roku 1916 Albert Einstein napísal vysvetlenie gravitácie s názvom všeobecná teória relativity.

• Hmotnosť spôsobuje ohýbanie alebo zakrivenie priestoru (a časopriestoru). Pohybujúce sa veci "padajú" alebo sledujú krivky v priestore. Tomu hovoríme gravitácia.
• Svetlo sa vždy pohybuje rovnakou rýchlosťou a je ovplyvnené gravitáciou. Ak sa zdá, že mení rýchlosť, v skutočnosti sa pohybuje po krivke v časopriestore.

O niekoľko mesiacov neskôr, počas služby v prvej svetovej vojne, nemecký fyzik Karl Schwarzschild použil Einsteinove rovnice, aby dokázal, že čierna diera môže existovať. V roku 1930 Subrahmanyan Chandrasekhar predpovedal, že hviezdy ťažšie ako Slnko sa môžu zrútiť, keď im dôjde vodík alebo iné jadrové palivo na spaľovanie. V roku 1939 Robert Oppenheimer a H. Snyder vypočítali, že hviezda by musela byť aspoň trikrát hmotnejšia ako Slnko, aby vytvorila čiernu dieru. V roku 1967 John Wheeler po prvýkrát vymyslel názov "čierna diera". Predtým sa nazývali "tmavé hviezdy".

V roku 1970 Stephen Hawking a Roger Penrose dokázali, že čierne diery musia existovať. Hoci sú čierne diery neviditeľné (nemožno ich vidieť), časť hmoty, ktorá do nich padá, je veľmi jasná.

Vznik čiernych dier

Gravitačný kolaps

Gravitačný kolaps obrovských hviezd (s veľkou hmotnosťou) spôsobuje vznik čiernych dier s "hviezdnou hmotnosťou". Výsledkom formovania hviezd v ranom vesmíre mohli byť veľmi hmotné hviezdy, ktoré by pri kolapse vytvorili čierne diery s hmotnosťou až ¹⁰³ hmotností Slnka. Tieto čierne diery môžu byť zárodkom supermasívnych čiernych dier, ktoré sa nachádzajú v centrách väčšiny galaxií.

Väčšina energie uvoľnenej pri gravitačnom kolapse sa uvoľní veľmi rýchlo. Vzdialený pozorovateľ vidí, ako sa v dôsledku gravitačnej dilatácie času spomaľuje a zastavuje tesne nad horizontom udalostí. Svetlo vyžiarené tesne pred horizontom udalostí sa oneskorí o nekonečne veľa času. Pozorovateľ teda nikdy neuvidí vznik horizontu udalostí. Namiesto toho sa zdá, že kolabujúci materiál je čoraz slabší a čoraz viac sa posúva do červena, až nakoniec zanikne.

Supermasívne čierne diery

Čierne diery sa našli aj uprostred takmer každej známej galaxie vo vesmíre. Tieto čierne diery sa nazývajú supermasívne čierne diery (SBH) a sú to najväčšie čierne diery zo všetkých. Vznikli v čase, keď bol vesmír veľmi mladý, a tiež pomáhali formovať všetky galaxie.

Predpokladá sa, že kvazary sú poháňané gravitáciou, ktorá zhromažďuje materiál do SBH v centrách vzdialených galaxií. Svetlo nemôže uniknúť z SBH v centre kvazaru, takže unikajúca energia sa mimo horizontu udalostí vytvára gravitačným napätím a obrovským trením o prichádzajúci materiál.

V kvazare boli namerané obrovské centrálne hmotnosti (¹⁰⁶ až ¹⁰⁹ hmotností Slnka). Niekoľko desiatok blízkych veľkých galaxií bez známok jadra kvazaru obsahuje vo svojich jadrách podobné centrálne čierne diery. Preto sa predpokladá, že všetky veľké galaxie ju majú, ale len malá časť z nich je aktívna (s dostatočnou akréciou na napájanie žiarenia), a preto sú viditeľné ako kvazary.

Vplyv na svetlo

V strede čiernej diery sa nachádza gravitačné centrum nazývané singularita. Nie je možné do nej vidieť, pretože gravitácia bráni úniku svetla. Okolo malej singularity je veľká oblasť, do ktorej sa nasáva aj svetlo, ktoré by normálne prešlo. Okraj tejto oblasti sa nazýva horizont udalostí. Oblasť za horizontom udalostí je čierna diera. Gravitácia čiernej diery vo väčšej vzdialenosti slabne. Horizont udalostí je miesto najvzdialenejšie od stredu, kde je gravitácia stále dostatočne silná na to, aby zachytila svetlo.

Mimo horizontu udalostí budú svetlo a hmota stále priťahované k čiernej diere. Ak je čierna diera obklopená hmotou, hmota vytvorí okolo čiernej diery "akrečný disk" (akrécia znamená "zhromažďovanie"). Akrečný disk vyzerá podobne ako prstence Saturnu. Pri nasávaní sa hmota veľmi zahrieva a vystreľuje do vesmíru röntgenové žiarenie. Predstavte si to ako vodu, ktorá sa točí okolo diery predtým, ako do nej spadne.

Väčšina čiernych dier je príliš ďaleko na to, aby sme mohli vidieť akrečný disk a trysku. Jediný spôsob, ako zistiť, že čierna diera existuje, je pozorovať, ako sa okolo nej správajú hviezdy, plyn a svetlo. Keď je v blízkosti čierna diera, aj objekty veľké ako hviezda sa pohybujú iným spôsobom, zvyčajne rýchlejšie, ako keby tam čierna diera nebola.

Keďže čierne diery nevidíme, musíme ich odhaliť inými prostriedkami. Keď čierna diera prechádza medzi nami a zdrojom svetla, svetlo sa ohýba okolo čiernej diery a vytvára zrkadlový obraz. Tento efekt sa nazýva gravitačná šošovka.

Umelecký obrázok: čierna diera, ktorá strháva vonkajšiu vrstvu blízkej hviezdy. Obklopuje ju energetický disk, ktorý vytvára prúd žiarenia.


Einsteinov kríž: štyri obrazy z jedného kvazaru

Hawkingovo žiarenie

Hawkingovo žiarenie je žiarenie čierneho telesa, ktoré vyžaruje čierna diera v dôsledku kvantových efektov v blízkosti horizontu udalostí. Je pomenované po fyzikovi Stephenovi Hawkingovi, ktorý v roku 1974 poskytol teoretický argument pre jeho existenciu.

Hawkingovo žiarenie znižuje hmotnosť a energiu čiernej diery, a preto sa nazýva aj vyparovanie čiernej diery. Deje sa tak v dôsledku virtuálnych párov častica-antičastica. V dôsledku kvantových fluktuácií dochádza k tomu, že jedna z častíc spadne dovnútra a druhá sa dostane preč spolu s energiou/hmotnosťou. Z tohto dôvodu sa očakáva, že čierne diery, ktoré stratia viac hmoty, ako získajú iným spôsobom, sa zmenšia a nakoniec zaniknú. Predpokladá sa, že mikro čierne diery (MBH) budú väčšími čistými emitentmi žiarenia ako väčšie čierne diery a mali by sa zmenšovať a zaniknúť rýchlejšie.