čierne diery v skutočnosti
9. 3. 2009
Čierne diery v skutočnosti [upraviť]
Umelcova predstava akréčneho disku horúcej plazmy obiehajúcej okolo čiernej diery (zdroj: NASA).
Vytvorenie [upraviť]
Všeobecná relativita (rovnako ako iné metrické teórie gravitácie) tvrdia nielen, že čierne diery môžu existovať, ale v skutočnosti priamo predpovedajú, že sú vytvárané prirodzene, kedykoľvek sa dostatočné množstvo hmoty zhustí v danom priestore vo vesmíre, vďaka procesu nazývanému gravitačné zrútenie (gravitačný kolaps). Keď do budúcej čiernej diery pribúda hmota, jej gravitácia sa zvyšuje – alebo v jazyku relativity – zakrivenie priestoru v okolí sa zväčšuje. Ak úniková rýchlosť v nejakej vzdialenosti od stredu dosiahne rýchlosť svetla, vytvorí sa horizont udalostí vnútri ktorého musí hmota nevyhnutne prepadávať do jedného bodu vytvárajúc tak singularitu.
Kvantitatívna analýza tejto myšlienky viedla k predpovedi, že hviezda okolo trojnásobku hmotnosti nášho Slnka na konci svojho vývoja (zvyčajne ako neutrónová hviezda), sa takmer nevyhnutne zmrští na kritickú veľkosť potrebnú na naštartovanie gravitačného zrútenia. Keď tento proces začne, nie je možné ho zastaviť žiadnou fyzikálnou silou a vytvorí sa čierna diera.
Kolaps hviezdy vytvorí čiernu dieru aspoň trikrát hmotnejšiu než Slnko. Čierne diery menšie než tento limit môžu byť vytvorené iba ak ich hmota je pod dostatočným tlakom z nejakého zdroja iného ako vlastná gravitácia. Predpokladá sa, že obrovské tlaky potrebné pre takého zrútenie existovali vo veľmi raných štádiách vývoja vesmíru a možno pomáhali vytvoriť prvotné čierne diery, ktoré by mohli mať hmotnosti menšie ako Slnko.
Supermasívne čierne diery obsahujúce od miliónov po miliardy slnečných hmôt môžu byť vytvorené v prípade, že sa niekde vo vesmíre tesní veľký počet hviezd v relatívne malom priestore alebo s veľkými množstvami hmoty kolabujúcej do „jadra“ čiernej diery alebo opakovanými fúziami menších čiernych dier. Predpokladá sa, že potrebné podmienky existujú v centrách niektorých (ak nie väčšiny) galaxií, vrátane našej Mliečnej dráhy.
Pozorovanie [upraviť]
Teória hovorí, že nemôžeme objaviť čierne diery podľa svetla vyžarovaného alebo odrazeného od hmoty v ich vnútri. Tieto objekty však môžu byť predpovedané z pozorovania javov v ich blízkosti, ako napríklad jav gravitačnej šošovky a hviezd, ktoré zdanlivo obiehajú okolo priestoru, kde nie je viditeľná žiadna hmota.
Za najviditeľnejšie efekty sú považované tie, ktoré pochádzajú z hmoty rútiacej sa do čiernej diery, ktorá (ako voda tečúca do odtoku) sa podľa predpovedí sústreďuje do extrémne horúcich a rýchlo sa točiacich akréčnych diskov okolo objektu, kým je ním pohltená. Trenie medzi priľahlými zónami disku spôsobuje, že sa prehrieva a vyžaruje veľké množstvá röntgenových lúčov. Toto zahrievanie je výnimočne výkonné a môže premeniť okolo 50% hmoty na žiarenie, v protiklade s nukleárnou fúziou, ktorá dokáže konvertovať iba niekoľko málo percent hmoty na energiu. Ďalšie predpokladané efekty sú úzke prúdy častíc v relativistických rýchlostiach vystrekujúce popri osiach disku. Jedným z možných laických vysvetlení je teória pingpongovej loptičky.
Akréčne disky, prúdy a obiehajúce objekty sa však nenachádzajú len okolo čiernych dier, ale aj okolo iných objektov ako neutrónové hviezdy a dynamika telies okolo týchto atraktorov, ktoré nie sú čiernymi dierami, je veľmi podobná dynamike telies v blízkosti čiernych dier a v súčasnosti je veľmi komplexným a aktívnym predmetom výskumu zahŕňajúcim magnetické polia a plazmovú fyziku. Preto aj platí, že pozorovania akréčnych diskov a obežných pohybov väčšinou iba indikujú existenciu kompaktného objektu s učitou hmotou a hovoria len veľmi málo o jeho podstate. Identifikácia objektu ako čiernej diery vyžaduje ďalšie predpoklady, že žiadny iný objekt (alebo spojený systém objektov) nemôže byť taký hmotný a kompaktný. Väčšina astrofyzikov pripúšťa, že toto je taký prípad, keďže podľa všeobecnej relativity sa musí akákoľvek koncentrácia hmoty dostatočnej hustoty nutne zrútiť do čiernej diery.
Jeden dôležitý pozorovateľný rozdiel medzi čiernymi dierami a inými kompaktnými hmotnými objektami je, že akákoľvek kolabujúca hmota, ktorá napokon narazí na takýto kompaktný hmotný objekt v relativistických rýchlostiach vyvolá nepravidelné intenzívne vzplanutia röntgenového žiarenia a iné ťažké žiarenie. Preto nedostatok takýchto vzplanutí okolo kompaktnej koncentrácie hmoty sa považuje za dôkaz, že objekt je čierna diera bez povrchu, na ktorý by hmota náhle narazila.
Našli sme ich? [upraviť]
Dnes evidujeme veľmi veľa nepriamych dôkazov astronomických pozorovaní čiernych dier v dvoch hmotnostných pásmach:
čierne diery hviezdnej hmotnosti, s hmotnosťou typickej hviezdy (4–15 krát hmotností Slnka), a
supermasívne čierne diery s hmotnosťou asi 1% hmotností typickej galaxie.
Taktiež existuje pár dôkazov o čiernych dierach so strednou hmotnosťou, s hmotou približne niekoľko tisíc hmotností Slnka. Predpokladá sa, že z týchto čiernych dier vznikajú supermasívne čierne diery.
Kandidáti na čierne diery hviezdnej hmotnosti boli identifikovaní hlavne prítomnosťou akréčnych diskov správnej veľkosti a rýchlosti, bez nepravidelných vzplanutí, ktoré sú očakávané pri akréčnych diskoch pri ostatných kompaktných objektoch. Čierne diery hmotnosti hviezd by mohli zapríčiňovať výbuchy gama žiarenia, aj keď pozorovania takýchto výbuchov v spojení so supernovami alebo inými objektami, ktoré nie sú čiernymi dierami [4] [5] znížili pravdepodobnosť tohto spojenia.
Kandidáti na masívnejšie čierne diery boli najprv poskytnutí aktívnymi galaktickými jadrami a kvazarmi, objavenými rádioastronómami v 60. rokoch 20. storočia. Výkonná premena hmoty na energiu trením v akréčnych diskoch okolo čiernych dier je zrejme jediným vysvetlením pre výdatné množstvá energie generovanej týmito objektami. V skutočnosti uvedenie tejto teórie v 70. rokoch odstránilo hlavnú námietku pre domnienku, že kvazary sú vzdialenými galaxiami — totiž, že žiadny fyzikálny mechanizmus nemôže generovať také množstvo energie.
Z pozorovaní pohybov hviezd okolo galaktických centier v 80. rokoch, dnes existuje všeobecná predstava, že supermasívne čierne diery existujú v centrách väčšiny galaxií, vrátane našej vlastnej Mliečnej dráhy. Sagittarius A* je dnes zhodne považovaný za vierohodného kandidáta pre polohu supermasívnej čiernej diery v strede galaxie Mliečna dráha.
Prúd vytryskovaný galaxiou M87 na tomto obrázku je považovaný za spôsobený supermasívnou čiernou dierou v jej galaktickom strede.
Súčasná predstava je, že všetky galaxie by mohli mať supermasívnu čiernu dieru v ich stredoch, a že táto čierna diera pohlcuje plyn a prach v strede galaxií generujúc tak, obrovské množstvá žiarenia — až kým nepohltí všetku okolitú hmotu a proces sa zastaví. Táto predstava tiež pekne vysvetľuje prečo neexistujú žiadne k nám blízke kvazary. Aj keď detaily ešte stále nie sú úplne jasné, vyzerá to, že rast čiernych dier je dôverne prepojený s rastom guľovitej časti — eliptická galaxia alebo vypuklina špirálovej galaxie — v ktorej existuje. Je zaujímavé, že neexistuje dôkaz pre masívne čierne diery v stredoch uzavretých hviezdokôp, čo ukazuje na ich fundamentálnu odlišnosť od galaxií.