CZARNA DZIURA MACIEJ FRĄCKOWIAK

Spis treści HISTORIA TEORIA ALBERTA EINSTEINA POWSTANIE CZARNYCH DZIUR JAK DŁUGO ŻYJĄ CZARNE DZIURY

Historia Ideę, że może istnieć tak masywne ciało, iż nawet światło nie może z niego uciec, postulował angielski geolog John Michell w roku 1783 w pracy przesłanej do Royal Society. W tym czasie istniała teoria grawitacji Isaaca Newtona i pojęcie prędkości ucieczki. Michell rozważał, iż w kosmosie może istnieć wiele tego typu obiektów. W roku 1796 francuski matematyk Pierre Simon de Laplace propagował tę samą ideę w swojej książce Exposition du Systeme du Monde (niestety zniknęła w późniejszych wydaniach). Ta idea nie cieszyła się dużym zainteresowaniem w XIX wieku, ponieważ światło uważano za bezmasową falę niepodlegającą grawitacji. Niedługo po opublikowaniu w roku 1905 szczególnej teorii względności, Einsteina zaczął rozważać wpływ grawitacji na światło. Najpierw pokazał, że grawitacja oddziałuje na propagację fal elektromagnetycznych, a w roku 1915 sformułował ogólną teorię względności. Kilka miesięcy później, Karl Schwarzschild znalazł rozwiązanie równań tej teorii opisujących obiekt mający postać masy skupionej w jednym punkcie, który bardzo silnie odkształca czasoprzestrzeń. Jednym z parametrów rozwiązania był promień Schwarzschilda. Sam Schwarzschild uważał go za niefizyczny. W XX wieku Chandrasekhar na przykładzie białego karła pokazał, że powyżej pewnej granicznej masy nic nie jest w stanie powstrzymać kolapsu gwiazdy. Przeciwny takim wnioskom był Arthur Eddington, który wierzył, iż powinna istnieć fizyczna przyczyna, która zatrzyma kolaps gwiazdy. W 1939 roku Robert Oppenheimer i Hartland Snyder pokazali, że masywna gwiazda może ulec kolapsowi grawitacyjnemu. Taki obiekt nazwano "zamrożoną gwiazdą", ponieważ dla dalekiego obserwatora kolaps będzie zwalniał. Idea ta nie wywołała dużego zainteresowania aż do lat 60. Zainteresowanie nią wzrosło z chwilą odkrycia pulsarów w 1967 roku. Tuż po tym John Wheeler zaproponował nazwę "czarna dziura".

TEORIA ALBERTA EINSTEINA Według teorii Alberta Einsteina, w silnym polu grawitacyjnym czas płynie wolniej niż w słabym. W polu tym wszystkie procesy ulegają spowolnieniu (dylatacja czasu) z punktu widzenia obserwatora, a silne pola grawitacyjne powodują zmianę geometrycznych własności przestrzeni, co oznacza, że np. suma kątów w trójkącie nie równa się 180 stopni. Czas i przestrzeń tworzą zakrzywiającą się czterowymiarową "czasoprzestrzeń". Siła grawitacji na powierzchni gwiazdy osiąga nieskończoną wartość, a kiedy rozmiary ciała zbliżają się do promienia grawitacyjnego, grawitacja zmierza do nieskończoności. W tej sytuacji nie może zostać zrównoważona przez skończone ciśnienie i ciało nieuchronnie musi się zapaść do środka, co prowadzi do powstania czarnej dziury. W jej pobliżu czas zaczyna biec coraz wolniej.

POWSTANIE CZARNYCH DZIUR Kiedy wewnątrz gwiazdy o masie przynajmniej 20 ~ 150 razy większej od masy Słońca zaczyna kończyć się wodór, rozpoczyna się jej agonia. Procesy zachodzące w jej jądrze ulegają gwałtownej zmiany, w wyniku zachwiania wcześniejszej równowagi gwiazda zapada się gwałtownie do swojego wnętrza w eksplozji, nazywanej supernową. Czarne dziury mogą powstawać także dzięki zapadnięciu się supermasywnych gwiazd bez towarzyszącego wybuchu supernowej. Jądra tego typu gwiazd w niektórych przypadkach (liczba ta szacowana jest na ok. 20% wszystkich potencjalnych supernowych) zapadają się tak szybko, że uniemożliwiają ucieczkę fotonów i gwiazda zmienia się bezpośrednio w czarną dziurę, "znikając" z widzialnego Wszechświata. Spekuluje się, że tego typu implozje mogą być wykryte dzięki emisji neutrino. CZARNYCH DZIUR

JAK DŁUGO "ŻYJĄ" CZARNE DZIURY Czarne dziury nie są wieczne, gdyż mogą one wyparowywać w wyniku procesów kwantowych zachodzących w silnych polach grawitacyjnych. W próżni przestrzeń jest wypełniona nienarodzonymi wirtualnymi cząstkami i antycząstkami. Jeśli nie jest im przekazywana żadna energia, nie mogą się one zamieniać w realne cząstki. Po skurczeniu się naładowanego elektrycznie ciała i powstaniu czarnej dziury pole elektryczne ulega takiemu wzmocnieniu, że zaczynają powstawać pary elektron - pozyton. Kreacja par przez pole elektryczne jest możliwa również bez udziału czarnej dziury. W takim wypadku pole musi jednak zostać wzmocnione.

KONIEC DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ