Crne rupe
Crnu rupu ne možemo direktno vidjeti, jer svijetlost ne može proći horizont događaja. To znači da se moramo osloniti na indirektne dokaze. Drugim riječima, moramo promatrati vidljive objekte čije će nam ponašanje ukazati na nužnost postojanja nevidljivog tijela u njihovoj blizini. Odnosno, vidljivo tijelo se tako ponaša da pokraj njega, jednostavno, mora biti nevidljivi objekt – crna rupa. Mjesta gdje možemo naći takve masivne, kompaktne, tamne objekte su središta galaktika i binarni sistemi koji emitiraju X-zrake. Ako u tim područjima nađemo veliku masu skupljenu u mali volumen i ta je masa tamna možemo pretpostaviti da je to crna rupa.
Vjerujemo da su tamni masivni objekti u središtu galaktika crne rupe iz najmanje dva razloga. Prvo, teško je pomisliti da bi bilo nešto drugo: previše je gusto i tamno da bi bile zvijezde ili zvjezdani skupovi. Drugo, jedina obećavajuća teorija koja objašnjava zagonetne objekte poznate kao kavazari i aktivne galaktike bazira se na tome da takve galaktike imaju supermasivne crne rupe u svojim središtima.
Količina energije koju zrači kvazar tako je velika da se teško ili nikako može objasniti nekim drugim sistemom. Naime, kada materija padne u gravitacijsko polje njezina je brzina, pa zato i energija, u porastu. Ako mnogo materije padne u isto vrijeme i uskovitla se u disku oko crne rupe, trenje između različitih vrsta materije povećava brzinu i time energiju koja, zatim, zrači van. Na taj način materija koja okružuje supermasivnu crnu rupu može zračiti mnogo više energije po gramu goriva nego bilo koji drugi poznati mehanizam, uključujući i nuklearnu fuziju. Tako gledano ovi argumenti snažno sugeriraju da su u središtima tih galaktika crne rupe, ali to još nije apsolutni dokaz.
slike kvazara
Nekoliko otkrića snažno potkrepljuju hipotezu da ovi sistemi sadrže crnu rupu. Prvo, u blizini središta aktivnih galaktika pronađeni su vrlo snažni izvori zračenja mikrovalova (sistem "vodenog masera"). Znanstvenici su, vrlo preciznim mjerenjima, došli do zaključka da vrlo masivni objekti u središtu ovih galaktika imaju radijus nešto manji od pola svjetlosne godine. Teško zamisliti nešto drugo osim crne rupe što bi sadržavalo toliku masu u tako malom volumenu.
Drugo otkriće pruža nam još čvršći dokaz. Proučavajući X-zrake astronomi su otkrili liniju u spektru galaktičkog središta koja ukazuje na nazočnost atoma koji se gibaju izuzetno brzo (oko 1/3 brzine svijetlosti). Osim toga, zračenje koje ovi atomi vrše pomaknuto je prema crvenom dijelu spektra baš na način koji se očekuje od zračenja koje dolazi iz blizine horizonta crne rupe. Ova promatranja bilo bi vrlo teško objasniti na neki drugi način osim pomoću crne rupe.
Potpuno drugačiju klasu kandidata za crne rupe naći ćemo u našoj Galaktici. One su mnogo lakše, stelarne (zvjezdane) mase, koje nastaju, kako se misli, kad zvijezda završi svoj život eksplozijom supernove. Ovakvu crnu rupu, naravno, ne možemo pronaći ako je "samostojeća". Međutim, mnoge zvijezde čine dvostruke sisteme – dvije zvijezde koje se okreću jedna oko druge.
Astronomi su otkrili nekoliko dvostrukih sistema gdje je jedna od zvijezda nevidljiva, pa ipak, mora biti tamo, jer djeluje svojom gravitacijskom silom na vidljivu zvijezdu koja se uslijed toga okreće oko zajedničkog centra gravitacije i masa te nevidljive zvijezde je znatno veća od 3 do 5 sunčevih masa. Ta nevidljiva zvijezda je kandidat za crnu rupu. U dvostrukom sistemu s tako kompaktnim objektom kao što je crna rupa, materija će biti "isisana" iz "žive" zvijezde i formirat će "akrecijski disk" kroz koji će kao kroz vrtlog materija padati prema crnoj rupi. Materija u akrecijskom disku postaje vrlo vruća kako pada sve bliže i bliže crnoj rupi i emitira obilnu količinu zračenja, uglavnom X-zrake. Poznati su mnogi takvi dvostruki sistemi koji emitiraju X-zrake. Vjeruje se da bi mnogi mogli sadržavati crnu rupu.
M84; potpis supermasivne crne rupe
Pretpostavimo da pronađemo jedan dvostruki sistem s X-zračenjem. Kako ćemo znati da je nevidljivi kompaktni objekt crna rupa? Svakako prva stvar koju moramo učiniti je izmjeriti njegovu masu. Mjerenjem orbitalne brzine (brzine kruženja oko nevidljivog partnera), zajedno s još nekoliko stvari, možemo izračunati masu nevidljivog pratioca. (Tehnika je vrlo slična onoj za mjerenje mase supermasivnih crnih rupa u galaktičkim središtima: što se zvijezda brže giba, potrebna je jača gravitacijska sila da je zadrži, stoga i masivniji nevidljivi pratilac.) Ako je masa kompaktnog objekta vrlo, vrlo velika, nema drugog poznatog objekta koji bi to mogao biti osim crne rupe. Obična zvijezda te mase morala bi biti vidljiva, a zvjezdani ostatak kao neutronska zvijezda nije u stanju oduprijeti se gravitaciji i urušava se u crnu rupu. Kombinacijom procjena i detaljnih studija zračenja iz akrecijskog diska može se prikupiti dovoljno snažnih dokaza da je ispitivani objekt uistinu crna rupa.
Bitni činioci nastanka crne rupe su gravitacija i unutrašnji tlak u zvijezdi. Ove dvije stvari se suprotstavljaju jedna drugoj – gravitacijska sila zvijezde privlači materiju na površinu zvijezde želeći da "komadi" materije upadnu u zvijezdu, a unutrašnji tlak zvijezde djeluje prema van, želeći izazvati da se materija razleti izvan zvijezde. Kad su uravnotežene (jednake po snazi) zvijezda će zadržati svoju veličinu: neće se ni urušiti (kolapsirati) niti se proširiti. To je slučaj sa Suncem u ovom trenutku.
Međutim, kad zvijezda potroši svoje nuklearno gorivo gravitacija će pobijediti unutrašnji tlak i zvijezda će se početi polako sažimati ili se brzo urušavati, ovisno o njezinoj unutrašnjoj strukturi. Gravitacija pobjeđuje nad unutrašnjim tlakom, jer se tlak koji je proizvodio vrući plin smanjuje uslijed gubitka energije koju zvijezda emitira.
Zvijezda tako može završiti život kao crna rupa. Hoće li se ili ne urušavanje zaustaviti na nekoj manjoj veličini ovisi o drugom izvoru tlaka (drugačijem od onoga koji izaziva vrući plin) i koji je dovoljno jak da se uravnoteži s pritiskajućom gravitacijskom silom. Postoje i drugi izvori tlaka pokraj onoga koga proizvodi topli plin. Pritiskujući stol iskusit ćete jedan od tih tlakova – stol "gura" gore protiv vas i može podnijeti vašu težinu (gravitacijska sila)! Tlak koji zadržava stol cijelim pod vašom težinom uzrokovan je silama između atoma u stolu.
Osim toga, elektroni u atomu moraju izbjegavati jedan drugoga (npr. ne mogu svi biti u istoj atomskoj "orbiti" – kao što kaže "princip isključenja"). Zato, ako imamo skupinu atoma koji se slobodno kreću oni će, također, izbjegavati jedan drugoga: što je veći pritisak na skupinu elektrona (manji volumen na koji su ograničeni, zbijeni) jači je otpor pritisku – tlak je suprotan vašem pritisku na elektrone.
Bijeli patuljak, NGC 2440
Ovaj tlak "izbjegavajućih elektrona" može biti dovoljno jak da se odupre gravitacijskoj sili zvijezde samo kod zvijezda koje su otprilike mase Sunca. U tom slučaju je zvijezda stisnuta na otprilike dijametar Zemlje. Tako je zvijezda mase Sunca "spriječena" da postane crna rupa kad se uruši do veličine Zemlje, jer je unutrašnji tlak "izbjegavajućih elektrona" (poznati kao "degenerirani elektroni") dovoljno jak da se zvijezda održi. Ova vrsta tlaka ne ovisi o energiji koju sadrži zvijezda – čak i ako zvijezda nastavi gubiti energiju, tlak će biti dovoljno jak da održi zvijezdu. Naše Sunce nikad neće postati crna rupa.
Međutim, ako je zvijezda mase otprilike oko 3 do 5 sunčevih masa, njezina gravitacijska sila bit će veća i tlak "degeneriranih elektrona" nikad neće biti u stanju zaustaviti urušavanje. Pokazalo se da i neutroni poštuju "princip isključenja" i pojavit će se obilje neutrona kad se masivna zvijezda uruši, ali čak ni "degenerirani neutroni" ne mogu zaustaviti kolaps masivne zvijezde. Sve zvijezde preko 3 do 5 sunčevih masa postat će crna rupa, u skladu s trenutnim znanstvenim mišljenjem.
Crne rupe i neutronske zvijezde nastaju smrću masivnih zvijezda koje eksplodiraju kao supernove. Proračuni pokazuju da čvrsti ostaci supernove s masom manjom od tri sunčeve mase postaju stabilne neutronske zvijezde, ali svaki čvrsti ostatak s većom masom urušit će se u crnu rupu, sabijajući svoj sadržaj u singularnost u centru crne rupe, zrcalnu sliku singularnosti Velikog praska iz koje je Svemir rođen.
Još su krajem 18. stoljeća engleski geolog John Michell i francuski astronom Pierre Simone Laplace, neovisno jedan od drugoga, došli na misao o mogućem postojanju "tamnih zvijezda" čija je gravitacija tako jaka da ništa s njih ne može pobjeći. Ako je tijelo dovoljno veliko i gusto ništa s njega ne bi moglo pobjeći. Laplace je došao do toga zaključka razmišljajući o brzini oslobađanja – brzini potrebnoj da neki projektil pobjegne gravitaciji nebeskog tijela.
Brzina oslobađanja ovisi o masi nebeskog tijela (planet, zvijezda, satelit): što je nebesko tijelo masivnije gravitacija je jača i brzina oslobađanja je veća. Za Zemlju ta brzina iznosi 11,2 km/s, dok je za Mjesec svega 2,4 km/s, za bijeg s Jupitera potrebna je brzina od 60 km/s, a sa Sunca 610 km/s ili 0,2 % brzine svijetlosti. Ako je tijelo dovoljno veliko i gusto brzina potrebna za bijeg s njega bila bi veća od 300 000 km/s, odnosno veća od brzine svijetlosti. Obzirom da ništa ne može ići brže od svijetlosti, ništa ne može pobjeći iz gravitacijskog polja tog objekta. Čak će i zraka svijetlosti biti zadržana gravitacijom i neće moći pobjeći.
Gotovo odmah nakon što je Einstein razvio Opću teoriju relativnosti, Karl Schwarzschild je otkrio matematičko rješenje jednadžbi Teorije koje opisuje takav objekt. Tek mnogo kasnije, zahvaljujući radu ljudi kao što su Oppenheimer, Volkoff i Snyder u 1930-tim, počelo se ozbiljno prihvaćati mogućnost da takvi objekti možda doista postoje u svemiru. Ovi su istraživači pokazali da kada zvijezda dovoljne mase ostane bez goriva, nije sposobna oprijeti se vlastitoj gravitacijskoj sili i tada se urušava u crnu rupu.
Termin "crna rupa" prvi je spomenuo američki fizičar Jochn Archibald Weeler 1967. nakon što mu se izraz "gravitacijski potpuno urušeno tijelo", kojim se dotad koristio, učinio pomalo rogobatan.
U Općoj teoriji relativnosti gravitacija je manifestacija zakrivljenosti prostora-vremena. Masivni objekti poremete prostor-vrijeme tako da uobičajena pravila geometrije nisu primjenjiva. U blizini crne rupe zakrivljenost prostora je tako snažna da crne rupe dobivaju neke vrlo čudne značajke.
Crna rupa ima nešto što zovemo "horizont događaja" ("događajni obzor").
Horizont događaja je sferična površina koja označava granice crne rupe. Možete ući u horizont događaja, ali ne možete izaći van. Zapravo, jednom kad prijeđete horizont osuđeni ste da se neumoljivo približavate "singularnosti" (točki beskonačne gustoće) u središtu crne rupe. Horizont događaja je udaljenost od središta crne rupe na kojoj je brzina oslobađanja jednaka brzini svijetlosti i naziva se Schwarzschildov radijus. Izvan horizonta događaja brzina oslobađanja je manja od brzine svijetlosti, pa ako imate dovoljno jaku raketu možete pobjeći, ali ako se nađete unutar horizonta, odnosno Schwarzschildovog radijusa, bez obzira koliko jaku raketu imali, ne možete pobjeći. Unutar tog kritičnog radijusa prostor-vrijeme su tako ekstremno zakrivljeni da je crna rupa zapravo odsječena od ostatka svemira. Na neki način postaje "mali" svemir sa svojim vlastitim pravilima, iz kojeg ništa, pa ni svijetlost, ne može pobjeći.
Simulacija supermasivne crne rupe
Horizont događaja ima neke vrlo neobične geometrijske osobine. Za promatrača daleko od crne rupe izgleda kao lijepa, statična sferična površina. Ali ako priđete bliže zamijetit ćete da se, zapravo, kreće brzinom svijetlosti. To objašnjava zašto je lako prijeći horizont, ali nemoguće izaći. Ako se horizont kreće brzinom svijetlosti da biste pobjegli van, morali biste se kretati brže od svijetlosti, a budući da ništa ne može ići brže od svijetlosti, ne možete pobjeći iz crne rupe.
Unutar horizonta vrijeme-prostor je tako zakrivljeno da vrijeme i prostor mijenjaju mjesta. Tako, "r", koordinata koja označava koliko ste daleko od središta (prostor), ponaša se kao vremenska koordinata, a "t", vremenska koordinata, kao prostorna. Jedna posljedica toga je da r postaje sve manja i manja vrijednost, baš kao što u normalnim okolnostima ne možete izbjeći kretanje naprijed u budućnost (prema sve većoj i većoj vrijednosti t). Mora doći do singularnosti kod r=0. Možete pokušati to izbjeći paljenjem vaše rakete, ali to je uzaludno: bez obzira u kojem smjeru krenuli ne možete izbjeći budućnost. Pokušavati izbjeći središte crne rupe, kad ste jednom prešli horizont događaja, isto je kao pokušavati izbjeći slijedeći četvrtak.
Teoretska istraživanja pokazuju da crne rupe imaju samo tri svojstva koja ih određuju: masu, električni naboj i rotaciju. Električki nenabijene, nerotirajuće crne rupe objašnjene su Schwarzschildovim rješenjem Einsteinovih jednadžbi; električki nabijene, nerotirajuće crne rupe objašnjene Reissner-Nordstrom rješenjem; električki nenabijene, ali rotirajuće crne rupe objašnjene Kerrovim rješenjem; i rotirajuće, električki nabijene crne rupe objašnjene Kerr-Newmanovim rješenjem. Crne rupe nemaju drugih svojstava.
Posebno je zanimljivo Kerrovo rješenje, jer se smatra da su "prave" crne rupe najvjerojatnije rotirajuće i električki nenabijene. Jedna od zanimljivih posljedica rotirajuće crne rupe je da singularnost više nije matematička točka, nego prsten (krug). Prema jednadžbama trebalo bi biti moguće proći kroz taj prsten i pojaviti se u drugom području prostora-vremena (možda u drugom Svemiru, na drugom mjestu i/ ili u drugom vremenu u našem Svemiru). To nas vodi do spekulacija o upotrebi crnih rupa kao vremenskog stroja.
Astronomi smatraju da su pronašli izvor visokoenergetskog kozmičkog zračenja. Zračenje nastaje u bivšim kvazarima, tj. sada normalnim galaktikama koje su prije izvjesnog vremena bile kvazari.
Kozmičke zrake otkrivene su 1912. godine od strane austrijskog fizičara Victora Hessa, koji je za taj rad dobio Nobelovu nagradu iz fizike. To su subatomske čestice, uglavnom protoni i elektroni, koje se kreću brzinama bliskim brzini svjetlosti c. Od trenutka njihovog otkrića znanstvenici su raspravljali o tome otkuda one dolaze i koji je to mehanizam u stanju ubrzati ih do tako velikih brzina.
Elihu Boldt s Goddardovog centra za svemirske letove NASA-e i Didier Torres sa sveučilišta Princeton identificirali su četiri eliptične galaktike u Velikom medvjedu koje leže na pravcu iz kojeg su zabilježene kozmičke zrake pomoću AGASA Cosmic Ray experimenta u Yamanashiju, Japan.
Te četiri galaktike sadrže crne rupe koje su tisućama puta veće od one u središtu našeg Mlječnog puta, a smatra se da su nekoć bile izvor rendgenskog zračenja tj. kvazari. Danas spadaju među objekte s najintenzivnijim zračenjem (integrirano preko cijeloga spektra) u svemiru. Svaka od navedenih galaktika u svome središtu ima crnu rupu mase nekoliko 100 milijuna sunaca
Iako njihove crne rupe danas miruju, Boldt tvrdi da je njihov obrtni moment dovoljno velik da subatomsku česticu, koju akrecijski disk prethodno ubrzava do velikih brzina izbaci natrag u svemirski prostor. Međutim, ne zna se točno kako bi taj mehanizam trebao raditi.
U statističkom prosjeku jedan km2 Zemljine površine biva pogođen s jednom česticom visokoenergetskog zračenja (kao što je npr. proton) u 10 godina. Statistički uzorak je premalen pa su stoga pouzdane statističke analize otežane. S mjerenjima se počelo početkom sedamdesetih godina, a od onda do danas znanstvenici su izmjerili tek 57 događaja.
Većina događaja zabilježena su detektorom AGASA koji u blizini Tokija pokriva površinu od 100 km2. Jedan od članova ekipe znanstvenika je Masahiro Teshima sa sveučilišta u Tokiju kaže da način na koji su spomenuti događaji distribuirani ukazuje da se radi o točkastim izvorima, dakle ne o izotropnom zračenju već o zračenju koje svoj izvor ima u pojedinim svemirskim objektima.
Suočavajući se s kritikama znanstvenika koji misle da podudarnost smjerova zračenja i položaja galaktika predstavlja čistu koincidenciju, Boldt odgovara da se slažu ne samo položaji već i udaljenosti navedenih galaktika, budući da intergalaktički medij (odnosno fotoni pozadinskog zračenja) absorbira kozmičke zrake visokih energija tako da one ne mogu doprijeti daleko u svemirski prostor.
“Izvor zračenja mora biti u našem galaktičkom susjedstvu tj. unutar 200 milijuna svjetlosnih godina, a ove galaktike udaljene su oko 100 milijuna svjetlosnih godina”, on kaže, dodajući da činjenica da su ove četiri divovske galaktike neaktivne čini ih pogodnim kandidatima za generiranje kozmičkog zračenja. “Intenzivno zračenje aktivnog kvazara (tj. njegovi fotoni) bi u mnogome oslabilo ili u potpunosti onemogućilo stvaranje visokoenergetskog kozmičkog zračenja”.
Ovaj rad predstavljen je na sastanku Američkog fizikalnog društva u Albuquerqueu, New Mexico.
|