Úvod do černých děr

Černé díry jsou objekty ve vesmíru s tolika hmotami uvězněnými v jejich hranicích, že mají neuvěřitelně silná gravitační pole. Ve skutečnosti je gravitační síla černé díry tak silná, že po jejím vstupu dovnitř nemůže nic uniknout. Ani černé světlo nemůže uniknout černé díře, je uvězněno uvnitř spolu s hvězdami, plynem a prachem. Většina černých děr obsahuje mnohokrát hmotu našeho Slunce a ty nejtěžší mohou mít miliony slunečních hmot.

Přes veškerou masu nebyla skutečná jedinečnost, která tvoří jádro černé díry, nikdy vidět ani zobrazena. Jak to napovídá slovo, jedná se o nepatrný bod ve vesmíru, ale má hodně hmoty. Astronomové jsou schopni tyto objekty studovat pouze prostřednictvím jejich účinku na materiál, který je obklopuje. Materiál kolem černé díry tvoří rotující disk, který leží těsně za oblastí zvanou „horizont událostí“, což je gravitační bod bez návratu.

Základním „stavebním kamenem“ černé díry je jedinečnost: špičková oblast vesmíru, která obsahuje veškerou hmotnost černé díry. Kolem je to oblast vesmíru, ze které světlo nemůže uniknout a dává „černé díře“ své jméno. Vnější „hrana“ této oblasti je tím, co tvoří horizont událostí. Je to neviditelná hranice, kde je tah gravitačního pole stejný jako rychlost světla. Je zde také rovnováha gravitace a rychlosti světla.

Pozice horizontu události závisí na gravitačním tahu černé díry. Astronomové vypočítají umístění horizontu události kolem černé díry pomocí rovnice R_s = 2 GM / c². R je poloměr singularity, G je gravitační síla, M je hmotnost, C je rychlost světla.

Existují různé typy černých děr a vznikají různými způsoby. Nejběžnější typ je známý jako černá díra s hmotností hvězd. Obsahují zhruba až několikrát hmotnost našeho Slunce a tvoří se, když jsou velké hlavní sekvence hvězdy (10 - 15krát více než naše Slunce) došly v jejich jádrech jaderné palivo. Výsledek je obrovský výbuch supernovy který odstřeluje vnější vrstvy hvězd do vesmíru. To, co zbylo, se zhroutí a vytvoří černou díru.

Dva další typy černých děr jsou supermasivní černé díry (SMBH) a mikro černé díry. Jeden SMBH může obsahovat hmotnost miliónů nebo miliard sluncí. Mikro černé díry jsou, jak napovídá jejich název, velmi malé. Mohli mít možná jen 20 mikrogramů hmoty. V obou případech nejsou mechanismy jejich vytváření zcela jasné. Teoreticky existují černé černé díry, které však nebyly přímo detekovány.

Zjistilo se, že v jádrech většiny galaxií existují supermasivní černé díry a jejich původ je stále horkě diskutován. Je to možné ty superhmotné černé díry jsou výsledkem sloučení menších černých děr s hvězdnou hmotností a dalších hmota. Někteří astronomové naznačují, že by mohli být vytvořeni, když se zhroutí jedna vysoce masivní (stokrát větší než hmotnost Slunce). Ať tak či onak, jsou dostatečně masivní, aby ovlivnili galaxii mnoha způsoby, od účinků na rychlost narození po oběžné dráhy hvězd a materiálu v jejich nejbližším okolí.

Na druhé straně by mohly vzniknout mikro černé díry během střetu dvou velmi vysokoenergetických částic. Vědci naznačují, že k tomu dochází nepřetržitě v horní atmosféře Země a je pravděpodobné, že k tomu dojde během experimentů s fyzikou částic na takových místech, jako je CERN.

Protože světlo nemůže uniknout z oblasti kolem černé díry ovlivněné horizontem události, nikdo nemůže černou díru „vidět“. Astronomové je však mohou měřit a charakterizovat podle účinků, které mají na jejich okolí. Černé díry, které jsou blízko jiných objektů, na ně působí gravitačním účinkem. Pro jednu věc, hmotnost může být také určena orbitou materiálu kolem černé díry.

V praxi astronomové odvozují přítomnost černé díry studiem toho, jak se kolem ní chová světlo. Černé díry, stejně jako všechny masivní objekty, mají dostatek gravitačního tahu, aby ohýbaly světelnou cestu, když prochází kolem. Když se hvězdy za černou dírou pohybují relativně vůči ní, bude světlo, které vyzařují, vypadat zkresleně nebo se hvězdy budou pohybovat neobvyklým způsobem. Z této informace lze určit polohu a hmotnost černé díry.

To je zvláště patrné v klastrech galaxií, kde kombinovaná hmotnost klastrů, jejich temná hmota a jejich černé díry vytvářejí podivně tvarované oblouky a kruhy ohýbáním světla vzdálenějších předmětů, když prochází kolem.

Astronomové mohou také pozorovat černé díry zářením, které ohřátý materiál kolem nich vydává, jako je rádio nebo rentgen. Rychlost tohoto materiálu také poskytuje důležité vodítko k charakteristikám černé díry, kterou se snaží uniknout.

Poslední způsob, jakým by astronomové mohli odhalit černou díru, je mechanismus známý jako Hawking záření. Pojmenován pro slavného teoretického fyzika a kosmologa Stephen HawkingHawkingovo záření je důsledkem termodynamiky, která vyžaduje únik energie z černé díry.

Základní myšlenkou je, že v důsledku přirozených interakcí a výkyvů ve vakuu bude hmota vytvořena ve formě elektronu a antielektronu (nazývaného pozitron). Když k tomu dojde poblíž horizontu události, jedna částice bude vypuzena pryč od černé díry, zatímco druhá spadne do gravitační studny.

Pro pozorovatele je vše, co je „vidět“, částice emitovaná z černé díry. Částice by měla být vnímána jako mající pozitivní energii. To znamená, symetricky, že částice, které padly do černé díry, by měly negativní energii. Výsledkem je, že jak černá díra stárne, ztrácí energii, a proto ztrácí hmotnost (podle Einsteinovy ​​slavné rovnice, E = MC², kde E= energie, M= hmotnost a C je rychlost světla).

Upraveno a aktualizováno uživatelem Carolyn Collins Petersen.