Gaură neagră

Ce este o gaură neagră:

O gaură neagră este un fenomen spațial cu proporții foarte mari (de obicei mai mari decât soarele) și o masă extrem de compactă, rezultând un câmp gravitațional atât de puternic încât nici o particulă sau radiație nu poate ieși.

Având în vedere că lumina este aspirată, găurile negre sunt invizibile, iar existența lor este evidențiată doar de consecințele gravitaționale observabile în împrejurimile sale, în special de modificările orbite ale corpurilor apropiate celeste, care sunt acum atrase de gaura neagră.

În teorie, numai ceva care se mișcă cu o viteză mai mare decât viteza luminii ar putea să reziste câmpului gravitațional al unei găuri negre. Din acest motiv, nu este posibil să știți sigur ce se întâmplă cu materia care este aspirată.

Cât de mare este o gaură neagră?

Găurile negre există în diferite dimensiuni. Minorii cunoscuți în știință sunt numiți găuri negre primordiale și se crede că sunt dimensiunea unui atom, dar cu masa totală a unui munte.

Găurile negre medii (a căror masă este de până la 20 de ori mai mare decât masa totală a soarelui) sunt numite stelare . În această categorie, cea mai mică gaură neagră descoperită are de 3, 8 ori masa solară.

Cele mai mari găuri negre catalogate sunt numite supermassive, adesea găsite în centrul galaxiilor. De exemplu, în centrul Calei Lactee este Sagetatorul A, o gaură neagră cu o masă echivalentă cu 4 milioane de ori masa soarelui.

Până în prezent, cea mai mare gaură neagră cunoscută este numită S50014 + 81, a cărei masă este egală cu patruzeci de miliarde de ori mai mare decât masa soarelui.

Cum se formează găurile negre?

Găurile negre se formează din prăbușirea gravitațională a corpurilor celeste. Aceste fenomene apar atunci când presiunea internă a unui corp (de obicei stelele) este insuficientă pentru a-și menține propria masă. Deci, atunci când nucleul stelei se prăbușește din cauza gravității, corpul ceresc explodează eliberând cantități uriașe de energie într-un eveniment cunoscut sub numele de supernova .

Reprezentarea vizuală a unei supernove.

În timpul supernovei, într-o fracțiune de secundă, întreaga masă a stelei este comprimată în nucleul său, în timp ce se deplasează la aproximativ 1/4 din viteza luminii (inclusiv, în acest moment, cele mai grele elemente ale universului sunt create).

Apoi, explozia va da naștere unei stele neutronice sau, dacă steaua este suficient de mare, rezultatul va fi formarea unei găuri negre, a cărei cantitate astronomică de masă concentrată creează câmpul gravitațional menționat mai sus. În ea, viteza de evacuare (viteza necesară pentru ca anumite particule sau radiații să reziste la atracție) trebuie să fie cel puțin mai mare decât viteza luminii.

Tipuri de găuri negre

Fizicianul teoretic german Albert Einstein a formulat un set de ipoteze legate de gravitație care au servit drept bază pentru apariția fizicii moderne. Acest set de idei a fost numit Teoria Relativității Generale, în care omul de știință a făcut câteva observații inovatoare despre efectele gravitaționale ale găurilor negre.

Pentru Einstein, găurile negre sunt "deformări în spațiu-timp cauzate de cantitatea masivă de materie concentrată". Teoriile sale au promovat un progres rapid al zonei și au permis clasificarea diferitelor tipuri de găuri negre:

Schwarzschild gaură neagră

Găurile negre ale lui Schwarzschild sunt cele care nu au încărcătură electrică și, de asemenea, nu au impulsuri unghiulare, adică nu se rotesc în jurul axei lor.

Kerr Black Hole

Găurile negre ale lui Kerr nu au nicio sarcină electrică, dar se învârt în jurul axei lor.

Reissner-Nordstrom Hole Negru

Găurile negre Reissner-Nordstrom au încărcătură electrică, dar nu se rotesc în jurul axei lor.

Kerr-Newman Hole Negru

Găurile negre Kerr-Newman sunt încărcate electric și se rotesc în jurul axei lor.

În teorie, toate tipurile de găuri negre devin în cele din urmă găuri negre Schwarzschild (încărcare statică și fără sarcină electrică) atunci când pierd suficientă energie și se opresc din rotație. Acest fenomen este cunoscut sub numele de Procesul Penrose . În aceste cazuri, singura modalitate de a diferenția o gaură neagră de Schwarzschild de alta este măsurarea masei sale.

Structura unei găuri negre

Găurile negre sunt invizibile, deoarece câmpul lor gravitațional este inevitabil chiar și pentru lumină. Astfel, o gaură neagră are aspectul unei suprafețe întunecate din care nu se reflectă nimic și nu există nici o dovadă a ceea ce se întâmplă cu elementele care sunt sufocate în ea. Cu toate acestea, din observația efectelor pe care le provoacă în mediul lor, știința structurează găurile negre în orizontul evenimentului, singularitate și ergosphere .

Orizontul evenimentelor

Limita câmpului gravitațional al găurii negre, din care nu se observă nimic, se numește orizontul evenimentului sau punctul de refacere .

Reprezentarea grafică a orizontului de evenimente, pus la dispoziție de NASA, în care se observă o sferă perfectă de unde nu se emite nici o lumină.

Deși este doar consecințe gravitaționale, orizontul evenimentului este considerat parte a structurii unei găuri negre, deoarece este începutul zonei observabile a fenomenului.

Se știe că forma sa este perfect sferică în găurile negre statice și oblică în găurile negre rotative.

Datorită dilatării gravitaționale a timpului, influența masei gaurii negre asupra spațiului-timp determină ca orizontul evenimentului, chiar și dincolo de intervalul său, să aibă următoarele efecte:

• Pentru un observator îndepărtat, un ceas de lângă orizontul evenimentului se va mișca mai încet decât altul mai departe. Astfel, orice obiect care este aspirat în gaura neagră pare să încetinească până când pare paralizat în timp.
• Pentru un observator îndepărtat, obiectul care se apropie de orizontul evenimentului va avea o nuanță roșiatică, o consecință a fenomenului fizic cunoscut sub numele de redshift, deoarece frecvența luminii este redusă de câmpul gravitațional al găurii negre.
• Din punctul de vedere al obiectului, timpul ar trece cu o viteză accelerată pentru întregul univers, în timp ce pentru el însuși timpul ar trece în mod normal.

singularitate

Punctul central al unei găuri negre, unde masa stelei a devenit infinit concentrată, se numește singularitate, din care se știe puțin despre el. În teorie, singularitatea conține masa totală a stelei care sa prăbușit, adăugată la masa tuturor corpurilor absorbite de câmpul gravitațional, dar fără volum sau suprafață.

ergosphere

Ergosfera este o zonă care ocolește orizontul evenimentului în găurile negre rotative, în care este imposibil ca un corp ceresc să se oprească.

Totuși, potrivit relativității lui Einstein, orice obiect rotativ tinde să tragă spațiul-timp aproape de el. Într-o gaură neagră rotativă, acest efect este atât de puternic încât este necesar ca un corp ceresc să se miște în direcția opusă cu o viteză mai mare decât cea a luminii pentru a rămâne staționară.

Este important să nu confundăm efectele ergospherei cu efectele orizonturilor evenimentului. Ergosfera nu atrage obiecte cu câmpul gravitațional. Astfel, orice lucru care vine în contact cu el va fi deplasat doar în spațiu-timp și va fi atras doar dacă intersectează orizontul evenimentului.

Teoriile lui Stephen Hawking despre găurile negre

Stephen Hawking a fost unul dintre cei mai influenți fizicieni și cosmologi ai secolelor 20 și 21. Printre numeroasele lui contribuții, Hawking a rezolvat câteva teoreme propuse de Einstein, care au contribuit la teoria că universul a început într-o singularitate, consolidând în continuare așa numita teorie a Big Bang .

Hawking a crezut de asemenea că găurile negre nu sunt complet negre, dar emit cantități mici de radiații termice. Acest efect a fost cunoscut în fizică ca Radiația Hawking . Această teorie prezice că găurile negre ar pierde masa cu radiația eliberată și, într-un proces extrem de lent, s-ar diminua până la dispariție.