Czarne dziury są przerażające, a niektóre z najbardziej intrygujących i tajemniczych obiektów we Wszechświecie. Ale czym jest czarna dziura? Czarne dziury to przede wszystkim obiekty w przestrzeni, które są tak niezwykle masywne i gęste, że nic nie może uciec ich przyciąganiu grawitacyjnemu, w tym światłu (dlatego nazywane są czarny otwory). Prowadzi to do kilku interesujących scenariuszy dotyczących fizyki w bezpośrednim obszarze otaczającym czarną dziurę.
Teoria ogólnej teorii względności postuluje, że cokolwiek z masą zakrzywia tkaninę czasoprzestrzeni, a tę krzywiznę nazywamy grawitacją. Najbardziej popularnym (i bardzo opisowym) przykładem ilustrującym, jak to działa, jest arkusz gumy. Wyobrażam sobie, że masz duży arkusz elastycznej gumy, która jest właściwie wyciągnięta. Ten arkusz jest dwuwymiarowym przedstawieniem struktury przestrzeni (która ma trzy wymiary, ale dla uproszczenia i łatwości ilustracji użyjemy dwóch). Jeśli umieścisz mały marmur na prześcieradle, zrobi to małe wcięcie w gumie. Wyobraź sobie, że marmur jest planetą, a jeśli masz jeden z tych fajnych szklanych marmurowych pasków, może nawet przypominać Jowisza. Tocząc mały marmur (który tworzy własne, bardzo małe wcięcie) po marmurze, można zauważyć, że kamyk skręca w kierunku wcięcia marmuru. Zasadniczo marmur przyciąga do siebie mały kamyk ze względu na swoją grawitację.
Teraz, jeśli położysz kulę do kręgli na prześcieradle, które jest o wiele bardziej masywne, spowoduje to znacznie większe wcięcie, które prawdopodobnie zatrzyma kamyk podczas toczenia. Kula do kręgli reprezentowałaby bardzo dobrze coś w rodzaju gwiazdy w tym przykładzie. Czarna dziura to cała masa gwiazdy, ale w bardzo małej przestrzeni, wystarczającej do wcięcia gumowej blachy na tyle, aby nic nie toczyło się przez wgniecenie czarnej dziury w pewnej odległości - bez względu na to, jak szybko ją posuniesz - może uciec. Obszar wokół czarnej dziury, z którego nic nie może uciec, nazywa się horyzontem zdarzeń, a wielkość tego obszaru zależy od wielkości samej czarnej dziury.
Gwiezdna czarna dziura powstaje, gdy gwiazda o jądrze powyżej około 3 mas Słońca zbliża się do końca swojego życia, a procesy fuzji wewnątrz gwiazdy nie są już wystarczająco wypychane w kierunku przyciągania grawitacyjnego, powodując, że gwiazda imploduje . Gdy materia wewnątrz gwiazdy zostanie ściśnięta poniżej pewnego promienia - nazwanego Promieniem Schwarzschilda od matematyka, który ją sformułował - powstaje czarna dziura.
Supermasywne czarne dziury to te, które tworzą się w centrum galaktyk i mogą mieścić się w miliardach mas Słońca. Na przykład, supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej ma masę około 40 000 słońc, a otaczająca ją materia - zwana „dyskiem akrecyjnym” - ma ogromne 4 miliardy słońc. Jak powstają supermasywne czarne dziury? Oto doskonały, szczegółowy artykuł na temat supermasywnych czarnych dziur, który omawia niektóre konkurencyjne teorie na temat ich powstawania.
Czarne dziury występują w różnych rozmiarach w zależności od ich masy. Na przykład, gdyby Słońce stało się czarną dziurą (nie zrobi tego, ponieważ jego jądro jest zdecydowanie zbyt małe), promień czarnej dziury wynosiłby około 3 km (1,86 mil). Gdyby w dziwnych okolicznościach Ziemia została zagęszczona w przestrzeń mniejszą niż promień Scwarzschilda, czarna dziura byłaby mniej więcej wielkości orzecha ziemnego.
W centrum czarnej dziury leży tak zwana osobliwość, w której masa czarnej dziury jest ściśnięta do zera, a zdolność ogólnej teorii względności do opisania tego, co się tutaj dzieje, załamuje się.
Skąd wiemy, że czarne dziury istnieją, jeśli nie emitują światła? Dowody na istnienie gwiezdnych czarnych dziur pochodzą z obserwacji ich interakcji w układach podwójnych, a supermasywne czarne dziury można zaobserwować za pomocą teleskopów rentgenowskich, a także grawitacji, jaką wywierają na gwiazdy w galaktyce.
Aby dowiedzieć się więcej o czarnych dziurach, w sieci jest sporo zasobów. Na początek Hubblesite ma doskonałą encyklopedię, podobnie jak Stardate.org. Możesz także sprawdzić resztę naszej sekcji na temat czarnych dziur w Przewodniku po kosmosie lub posłuchać wielu odcinków Astronomy Cast na ten temat, takich jak odcinki 18, lub pytań wyświetlanych w Black, Black Holes.
Źródła: NASA: Blackholes, NASA: Stars, Hyperphysics
