Čierne diery vo vesmíre

Čierne diery vo vesmíre
 
Čierna diera
Čierna diera alebo gravitačný kolapsar je koncentráciou hmoty s takou veľkosťou, že jej gravitačná sila zabraňuje úniku akýchkoľvek častíc s výnimkou efektu nazývaného kvantové tunelovanie. Gravitačné pole je také silné, že úniková rýchlosť z blízkych bodov presahujerýchlosť svetla. Z toho vyplýva, že nič, dokonca ani svetlo, nemôže uniknúť gravitácii čiernej diery, preto sa nazýva „čierna“. Pojem čierna diera sa stal zaužívaným, aj keď teória nespomína žiadnu „dieru“ v normálnom slova zmysle, ale oblasť vesmíru, z ktorej nič neunikne.

Existenciu čiernych dier predpokladá všeobecná teória relativity ,ktorú sformuloval Albert Einstein v rokoch 1911 až 1916. Jej hlavná výpoveď je, že gravitácia vlastne nie je nič iné ako geometrický jav v zakrivenomštvorrozmernom časopriestore, presnejšie: Hmotné telesá sú zdrojomgravitačného poľa, ktoré určuje vlastnosti časopriestoru v danej oblasti, ktorá zas naopak spätne ovplyvňuje stav a pohyb telies v danej oblasti. Podľa klasickej všeobecnej relativity, žiadna hmota ani informácia nemôže prúdiť z vnútra čiernej diery k vonkajšiemu pozorovateľovi. Napríklad nie je možné dostať von žiadnu z jej častí, ani odrazené svetlo od zdroja podobného fotografickému blesku, alebo získať akúkoľvek informáciu o látke, ktorá vstúpila do čiernej diery. Existencia čiernych dier vo vesmíre je dobre podložená astronomickými pozorovaniami, hlavne zo štúdia supernov a röntgenového žiarenia z aktívneho galaktického jadra.
 
Vytvorenie
Všeobecná relativita tvrdí nielen to, 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- je proces, pri ktorom sa teleso pôsobením gravitačnej sily nekontrolovane zrúti samo do seba. Tento proces nastáva, keď všetky ostatné sily v telese pôsobiace proti tlaku gravitácie nestačia na zachovanie gravitačnej rovnováhy telesa.
Gravitačný kolaps nastáva koncom života veľmi hmotnej hviezdy, keď hviezda prestane uvoľňovať energiu a jej jadro sa pôsobením tlaku vonkajších vrstiev a gravitácie zrúti gravitačným kolapsom do čiernej diery).

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(všeobecná relativita predpovedá, že v strede čiernej diery, za horizontom udalostí, existuje singularita, miesto, kde je zakrivenie časopriestoru nekonečné a gravitačné sily sú nekonečne veľké).
Kvantitatívna analýza tejto myšlienky viedla k predpovedi, že hviezda okolo trojnásobku hmotnosti 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 vtedy, ak je ich hmota 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. 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. V súčasných podmienkách sa č.d. môžu stať hviezdy, ktoré majú v záverečných fázach svojho vývoja hmotnosť minimálne 2-3 Sĺnk.
 
Horizont udalostí
„Povrch“ čiernej diery sa označuje ako horizont udalostí, zdanlivý guľovitý povrch obklopujúci hmotu čiernej diery. Na úrovni horizontu udalostí je úniková rýchlosť rovná rýchlosti svetla. Preto neobyčajne silné gravitačné pole bráni všetkému vnútri horizontu udalostí, vrátane fotónov, uniknúť cez horizont udalostí. Častice spoza tejto oblasti sa môžu prepadnúť cez horizont udalostí, nikdy však neuniknú. Keďže vnútro horizontu udalostí nemôžu opustiť žiadne častice, neexistuje možnosť poslať žiadnu informáciu zvnútra čiernej diery pozorovateľovi mimo nej. Všeobecne sa predpokladá, že čierne diery nemajú žiadne pozorovateľné vlastnosti, ktoré by boli použiteľné na objasnenie ich výzoru vo vnútri. Podľa klasickej všeobecnej relativity možno čierne diery úplne charakterizovať troma parametrami: hmota, uhlový moment a elektrický náboj. Tento princíp je zhrnutý frázou „čierne diery nemajú vlasy“.
Objekty v gravitačnom poli sú predmetom spomalenia času, nazývaného dilatácia času. Tento fenomén bol potvrdený experimentálne pri pokuse s raketou Scout v roku 1976 [1] a berie sa do úvahy napríklad pri GPS systéme. V blízkosti horizontu udalostí sa dilatácia času zvyšuje veľmi rýchlo. Z pohľadu externého pozorovateľa to vyzerá tak, akoby objektu trvalo nekonečne dlhý čas priblížiť sa k horizontu udalostí, na hranici ktorého má svetlo vychádzajúce z objektu pre pozorovateľa spektrálny červený posun rovný nekonečnu. Vzdialenému pozorovateľovi sa zdá, že objekt padá stále pomalšie, približuje sa, ale nikdy nedosiahne horizont udalostí. Samotný objekt nemusí ani spozorovať bod, v ktorom prekročí horizont udalostí a z jeho pohľadu sa tak stane v konečnom čase: je to len vlastnosť svetla opúšťajúceho blízkosť čiernej diery, pri ktorej to vyzerá, že objekt nikdy horizont udalostí nedosiahne.
 
Podľa teórie, horizont udalostí nerotujúcej čiernej diery je guľový a jej singularita predstavuje (neformálne povedané) jeden bod. V prípade, že čierna diera má uhlový moment otáčania (zdedený od hviezdy, ktorá rotovala v čase jej gravitačného kolapsu), začína naťahovať časopriestorové okolie obklopujúce horizont udalostí efektom známym ako Lense-Thirringov efekt. Tento rotujúci priestor obklopujúci horizont udalostí sa nazýva ergosféra a má elipsoidný tvar. Keďže sa ergosféra nachádza mimo horizontu udalostí, objekty v nej môžu existovať bez toho, aby spadli dovnútra čiernej diery. Pretože sa však sám časopriestor v ergosfére pohybuje, je pre objekty nemožné zotrvať v pevnej pozícii. Objekty pohybujúce sa v ergosfére môžu byť za istých okolností katapultované von veľmi vysokou rýchlosťou vďaka energii (a uhlovému momentu) dodanej čiernou dierou. Odtiaľ pochádza aj názov ergosféra („pracujúca sféra“), pretože je schopná vykonávať prácu.
  
Kvalitatívna fyzika
Teória čiernych dier je závislá od všeobecno-relativitistickej predstavy o zakrivení časopriestoru: ich najpozoruhodnejšie vlastnosti závisia od zakrivenia geometrie vesmíru okolo nich.
 
Ak chceme lepšie pochopiť a predstaviť si čierne diery musíme si ozrejmiť čo je to časopriestor.

Priestoročas
Priestoročas zaviedol Herman Minskowski v rokoch 1907 - 1908 (Einsteinov profesor matematiky). Priestoročas alebo časopriestor je štvorrozmerný priestor zjednocujúci trojrozmerný fyzikálny priestor a čas. Body priestoročasu zodpovedajú bodovým udalostiam. Čas a priestor existujú nezávisle od seba a od vesmíru. Na prvý pohľad by sa mohlo zdať, že takáto myšlienka dávať dokopy priestor a čas, len tým, že sme vymysleli akurát nový skrátený názov, neprinesie nič nového. Ukázalo sa však, že v relativite je to jedna z klúčových myšlienok. Navyše v teórii relativity (v špeciálnej, ale aj všeobecnej) je dokonca nevyhnutné uvažovať vždy dianie v rámci priestoročasu, nikdy nie osobitne v priestore a osobitne v čase. Pri popise pohybu musíme zaznamenat nielen polohu, ale aj čas, zaznamenávame udalosti. Záznam o každej udalosti sa skladá vždy zo štyroch čísel, kde tri z nich udávajú polohu udalosti v priestore a jeden údaj udáva čas jej nastatia. Túto skutočnosť môžeme povedať aj inými slovami: “všetky objekty aj my sa pohybujeme nielen v priestore, ale aj v čase”. Alebo by sme mohli povedať skrátene v priestoročase (alebo v časopriestore). Všetky udalosti, dianie okolo nás, ale aj vo vesmíre sa odohráva v „aréne“ nazývanej priestoročas

Singularita
Všeobecná relativita predpovedá, že v strede čiernej diery, za horizontom udalostí, existuje singularita, miesto, kde je zakrivenie časopriestoru nekonečné a gravitačné sily sú nekonečne veľké. Časopriestor za horizontom udalostí je špecifický v tom, že singularita je v každej z pozorovateľových budúcností, a teda, že všetky častice vnútri horizontu udalostí sa pohybujú neúprosne v smere k nej. To znamená, že je tu konceptuálna nezrovnalosť v nerelativistických poňatiach čiernej diery ako bolo pôvodne navrhované Johnom Michellom v roku 1783. V Michellovej teórii sa úniková rýchlosť rovnala rýchlosti svetla, ale bolo napríklad stále teoreticky možné vytiahnuť objekt z čiernej diery použitím lana. Všeobecná relativita takéto medzery eliminuje, pretože len čo je objekt za horizontom udalostí, jeho vlastná časová os obsahuje koniec času samotného, a nie je možný návrat svetočiary von cez horizont udalostí.

Očakáva sa, že budúce zjemnenia alebo zovšeobecnenia všeobecnej relativity (predovšetkým kvantovej gravitácie) zmenia pohľad na podstatu vnútra čiernych dier. Väčšina teoretikov interpretuje matematickú singularitu rovníc tak, že naznačujú nekompletnosť súčasnej teórie, a že na priblíženie sa k singularite musia do hry vstúpiť nové fenomény. Otázka môže byť príliš akademická, keďže hypotéza kozmickej cenzúry predpokladá, že vo všeobecnej relativite neexistujú holé singularity: všetky singularity sú schované za horizontom udalostí a nemôžu byť skúmané.
 
Pád dovnútra
Predstavte si nešťastného astronauta padajúceho nohami napred smerom do stredu jednoduchej čiernej diery Schwarzschildovho typu (nerotujúca). Čím bližšie sa dostane k horizontu udalostí, tým dlhšie trvá fotónom, ktoré vyžaruje, uniknúť gravitačnému poľu čiernej diery. Vzdialený pozorovateľ uvidí astronautov spomaľujúci sa zostup pri približovaní k horizontu udalostí, ktorý zdanlivo nikdy nedosiahne. No z jeho vlastného uhla pohľadu astronaut prekročí horizont udalostí a dosiahne singularitu v konečnom čase. V momente, keď prekročí horizont udalostí, ho nebude možné pozorovať z vonkajšieho vesmíru. V čase pádu by si všimol, že jeho chodidlá, potom kolená a tak ďalej sa dostávajú do zväčšujúceho sa červeného posunu, až kým sa nestanú neviditeľnými. Keď sa približuje k singularite, gradient gravitačného poľa od hlavy k chodidlám sa značne zväčší, bude sa cítiť natiahnutý a nakoniec roztrhnutý slapovými silami: v jeho chodidlách bude cítiť omnoho väčšiu gravitáciu ako v úrovni hlavy. Tento proces je známy ako špagetizácia. Blízko singularity sa gradient stane dostatočne veľkým na roztrhanie atómov. Bod, pri ktorom sa slapové sily stanú zhubnými, závisí od veľkosti čiernej diery. Pre veľmi veľké čierne diery ako napríklad tie v stredoch galaxií, bude tento bod ležať dosť ďaleko od horizontu udalostí, takže astronaut ho môže bezbolestne prekročiť a žiť. Naopak pre malé čierne diery sa tieto slapové efekty môžu stať osudnými oveľa skôr ako sa astronaut priblíži k horizontu udalostí.
 
Druhy čiernych dier
Dnes evidujeme veľmi veľa nepriamych dôkazov astronomických pozorovaní čiernych dier v dvoch hmotnostných pásmach:
-čierne diery hviezdnej hmotnosti, s hmotnosťou typickej hviezdy (4–15 hmotností Slnka)
-supermasívne čierne diery s hmotnosťou asi 1% hmotnosti 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.
 
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.
 
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 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.

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. Vznik mikro čiernych dier na Zemi v časticovom urýchľovači bolo trochu neisto ohlasované, dosiaľ však nebolo potvrdené. Do dnešných čias nie je známy žiadny pozorovaný kandidát na prvotnú čiernu dieru. Biela diera je hypotetické teleso, ktoré bolo pôvodne pod svojím RG, ale explozívnym procesom sa dostalo nad RG . Ak však opäť začne prebiehať grav. kolaps, len čo sa dostane nad svoj RG stane sa z nej sivá diera.Červia diera je hypotetická časopriestorová štruktúra spájajúca čiernu dieru s bielou.

Nedávne objavy
V roku 2004 bola objavená kopa čiernych dier, čo rozšírilo naše pochopenie rozdelenia čiernych dier vo vesmíre. Toto viedlo vedcov k významnej revízii predstáv, aký je vlastne počet čiernych dier v našom vesmíre. Vďaka objavom v roku 2004 sa predpokladá, že počet čiernych dier je blízko päťnásobku pôvodných odhadov.

V júli 2004 astronómovia objavili obrovskú čiernu dieru Q0906+6930, v strede vzdialenej galaxie v súhvezdí Veľká medvedica (súhvedie) (Ursa Major). Odhadnúť hmotnosť a vek čiernych dier nám môže pomôcť určiť vek vesmíru.
V novembri 2004 tím astronómov oznámil objav prvej čiernej diery so strednou hmotnosťou v našej galaxii, obiehajúcej približne tri svetelné roky od Sagittarius A*. Táto stredná čierna diera s hmotnosťou asi 1300 Sĺnk sa nachádza vnútri kopy siedmich hviezd, pravdepodobne ako zostatok masívnej skupiny hviezd, ktorá bola roztrhaná Galaktickým stredom. (nature news) (originál) Tento objav môže podporiť myšlienku, že supermasívne čierne diery sa zväčšujú pohlcovaním blízkych menších čiernych dier a hviezd.

Vo februári 2005 bol objavený modrý obor SDSS J090745.0+24507, opúšťajúci Mliečnu dráhu dvojnásobkom únikovej rýchlosti (0.0022 rýchlosti svetla). Trajektóriu hviezdy je možné vystopovať až späť ku galaktickému jadru. Vysoká rýchlosť tejto hviezdy podporuje hypotézu existencie supermasívnej čiernej diery v strede našej galaxie.