Czarne dziury. Grażyna Karmeluk

Transkrypt

1 Czarne dziury Grażyna Karmeluk

2 Termin czarna dziura Termin czarna dziura powstał stosunkowo niedawno w 1969 roku. Po raz pierwszy użył go amerykański uczony John Wheeler, przedstawiając za jego pomocą obrazowo ideę, która pojawiła się po raz pierwszy co najmniej 200 lat wcześniej. John Michell 1783 rok Philosophical Transactions of the Royal Society of London.

3 Ewolucja zwykłych gwiazd

4 Subramanyana Chandrasekhara Graniczna masa Chandrasekhar

5 Białe karły

6 Gwiazdy neutronowe Gwiazdy o maksymalnej masie w przybliżeniu dwa razy większej niż masa Słońca i promieniu znacznie mniejszym niż promień nawet białego karła osiąga inny stan końcowy. Takie gwiazdy utrzymują się w równowadze nie przez ciśnienie elektronów lecz przez ciśnienie neutronów i protonów. Nazwano je gwiazdami neutronowymi. Ich promień wynosi około 15 kilometrów, a gęstości steki milionów ton na centymetr sześcienny.

7 Kiedy kończy się paliwo Niektóre z gwiazd eksplodują albo uda im się pozbyć części materii i w ten sposób obniżają swoją masę poniżej granicy Chandrasekhara, co pozwala im uniknąć im zapadania się pod wpływem przyciągania grawitacyjnego. Skąd jednak gwiazda miałaby wiedzieć, że powinna pozbyć się nadwagi? A nawet jeśli wszystkie gwiazdy pozbywają się nadwyżki masy i unikają zapadnięcia się to co stanie się w wypadku, gdy na powierzchnie białego karła lub gwiazdy neutronowej spadnie tyle materii, że całkowita masa stanie się większa od masy granicznej?

8 Problem co dzieje się z taka gwiazdą rozwiązał Amerykanin Robert Oppenheimer. Z jego prac wynikała następujący obraz końca gwiazdy. Grawitacyjne pole gwiazdy zmienia trajektorię promieni świetlnych w czasoprzestrzeni. Stożek światła, który pokazuje jak rozchodzą się w przestrzeni błyski światła z ich wierzchołków są pochylone do środka w pobliżu powierzchni gwiazdy. W miarę jak gwiazda się kurczy pole grawitacyjne na jej powierzchni staje się coraz silniejsze i stożki świetlne coraz bardziej pochylają się ku środkowi. Z tego powodu coraz trudniej jest uciec światłu z powierzchni gwiazdy. W końcu kiedy gwiazda skurczy się tak bardzo, że jej promień będzie mniejszy niż promień krytyczny, pole grawitacyjne na jej powierzchni będzie tak silne, iż światło nie będzie mogło już uciec.

9 Czarne dziury Zgodnie z teorią względności nic nie może poruszać się szybciej niż światło. Skoro światło nie może uciec z powierzchni gwiazdy nic innego nie jest w stanie tego dokonać. Pole grawitacyjne ściąga wszystko z powrotem. Wobec czego istnieje pewien zbiór zdarzeń, pewien obszar czasoprzestrzeni, z którego nic nie może się wydostać. Region ten dzisiaj znamy pod nazwą czarna dziura.

10 Jak zbudowana jest czarna dziura Czarną dziurę otacza granica znana jako horyzont zdarzeń. Nie stanowiona żadnej powierzchni materialnej. Składa się on z trajektorii promieni światła, którym niemal udało się wydostać z czarnej dziury. Wszelka materia, energia w tym światło, które przekroczą czarną dziurę nie mają możliwości ucieczki. Czeka je koniec w punkcie zwanym osobliwością, gdzie gęstość materii i krzywizna czasoprzestrzeni są nieskończone kres czasu. W punkcie osobliwym załamują się wszystkie prawa fizyki. Wielkość czarnej dziury zależy od jej masy.

11 Promień Schwarzschilda gdzie: G- stała grawitacyjna M masa obiektu C prędkość światła Za czarne dziury uznaje się obiekty mniejsze niż objętość wynikająca z jego promienia Schwarzschilda. Natomiast powieżchnia wyznaczona przez promień Schwarzschilda spełania role horyzontu zdarzeń.

12 Zakrzywienie czasoprzestrzenie Jak zostało już wcześniej powiedziane z czarnej dziury nie można uciec. Ogromna nieskończona grawitacja powoduje, że wszystko wpada do środka i już nie wraca. W przypadku czarnej dziury uwięziona nie jest tylko materia ale również światło, które zawsze porusza się po liniach geodezyjnych. Co więcej ogromne zakrzywienie czasoprzestrzeni spowalnia upływ czasu. I tak na zewnętrznej powierzchni czarnej dziury zanika upływ czasu. Gdyby z dwóch braci bliźniaków jeden poleciał na wycieczkę w pobliżu czarnej dziury, to okazałoby się po powrocie, że jest młodszy od drugiego. Scenariusz ten nie jest zbyt realistyczny w rzeczywistości brat, który przekroczyłby horyzont zdarzeń zostałby rozciągnięty na pojedyncze atomy. Natomiast dla obserwatora, który byłby na zewnątrz czarnej dziury egzekucja ochotnika trwałaby wieczność bo w pewnym momencie czas zatrzymuje się i zwalnia nieskończenie wiele razy, tak jak rośnie nieskończenie wiele razy siła grawitacji czarnej dziury. Grawitacja kieruje czasem, wszystko zależy od układu odniesienia.

13 Kwazar Kwazar jest źródłem ciągłego promieniowania elektromagnetycznego o ogromnej mocy. Pozornie przypominaj gwiazdę. W rzeczywistości jest galaktyką, w której jądrze znajduję masywna czarna dziura. Kwazary potrafią emitować nawet 1000 razy więcej energii niż cała galaktyka Drogi Mlecznej.

14 Potwierdzenie istnienia czarnych dziur 14 września 2015 roku dwa detektory w amerykańskim obserwatorium LIGO oddalone od siebie o 3 tys. kilometrów (jeden znajdował się w Waszyngtonie, drugi w Luizjanie) zarejestrowały prawie jednocześnie sygnał fal grawitacyjnych pochodzących ze zderzającego się układu dwóch czarnych dziur. Zdarzenie czarnych dziur trwało zaledwie 0,12 sekundy i nastąpiło ponad 1 mld lat temu. Było jednak bardzo potężne. Było to pierwsze zarejestrowanie fali grawitacyjnej w historii.