Unutar crnih rupa

Unutar crnih rupa

Astronomi znaju već gotovo 10 godina da skoro svaka velika galaksija sadrži crnu rupu – objekt tako intenzivne gravitacije da mu čak ni svjetlo ne može pobjeći. Smrt zvijezda (o toj temi smo pisali ovdje) može proizvesti malu crnu rupu – s masom 3 do 100 puta većom od mase Sunca – ali takve crne rupe su malene u usporedbi s nekima iz središta galaksije koje imaju do milijardu puta veću masu od Sunca.

UPOZNAVANJE CRNIH RUPA

Priču o crnim rupama najbolje je početi s otkrićem njemačkog astronoma Karla Schwarzschilda, koji je proučavao Einsteinova otkrića o gravitaciji dok se odmarao od svojih proračuna trajektorija artiljerijskih granata na istočnoj fronti u 1. svjetskom ratu 1916. Tek nekoliko mjeseci nakon što je Einstein doradio opću teoriju relativnosti, Schwarzschild je uspio upotrijebiti tu teoriju kako bi došao do potpunog i egzaktnog razumijevanja kako se prostor i vrijeme uvijaju u blizini savršeno kuglaste zvijezde. Schwarzschild je s istočne fronte poslao svoje rezultate Einsteinu, koji ih je u Schwarzschildovo ime iznio pred pruskom Akademijom.

Osim što je potvrdio i matematički precizno izrazio uvijanje, Schwarzschildov rad – koji je postao poznat kao “Schwarzschildovo rješenje” otkrio je zapanjujuću implikaciju opće teorije relativnosti. Dokazao je da, ako je masa zvijezde koncentrirana u dovoljno malenom području kugle, tako da njezina masa podijeljena s polumjerom prelazi određenu kritičnu vrijednost, tako nastalo uvijanje prostorvremena bit će tako radikalno da ništa, uključujući i svjetlost, što se previše približi zvijezdi neće moći izmaknuti njezinom gravitacijskom škripcu. Budući da čak ni svjetlost ne može pobjeći takvim “komprimiranim zvijezdama”, na početku ih se nazivalo tamnim ili zamrznutim zvijezdama. Godinama potom John Wheeler smislio je pamtljiviji naziv nazvavši ih crnim rupama – crnim zato što ne emitiraju svjetlost, a rupama zato što sve što im se previše približi pada u njih i nikada se ne vraća. I ime se zadržalo.

Schwarzschild je umro samo nekoliko mjeseci nakon što je pronašao svoje rješenje, od kožne bolesti kojom se zarazio na istočnoj fronti. Imao je 42 godine. Njegov tragično kratak susret s Einsteinovom teorijom gravitacije otkrio je jedno od najdojmljivijih i najtajanstvenijih obilježja svijeta prirode.

729665main_A-BlackHoleArt-pia16695_full

Iako crne rupe imaju ugled proždrljivosti, tijela koja prolaze pokraj njih na “sigurnoj” udaljenosti mijenjaju putanju na isti način kao i kad je riječ o svakoj drugoj, običnoj zvijezdi, i nastavljaju svojim putem. Ali tijela bilo kojeg sastava koja se previše približe – bliže od takozvanoga horizonta događaja crne rupe – osuđena su na propast: bit će nesmiljeno privučena u središte crne rupe i podvrgnuta sve jačem gravitacijskom rastezanju koje će ih uništiti.

Primjeri:

Kad biste prvo nogom zakoračili preko horizonta događaja, približavajući se središtu crne rupe osjećali biste se sve neugodnije. Gravitacijska sila crne rupe bi se povećavala tako dramatično da bi privlačenje vaših nogu bilo mnogo jače nego privlačenje vaše glave (jer u padu s nogama prema dolje stopala su vam malo bliže središtu crne rupe nego glava); zapravo, toliko jače da bi vam tijelo bilo rastegnuto silom koja bi ga brzo rastrgala na komadiće.

Da bismo dobili dojam o ekstremnim razmjerima o kojima je tu riječ, zvijezda mase Sunca bila bi crna rupa kad njen polumjer ne bi bio kakav doista jest (oko 724 000 kilometara) nego tek nešto manje od tri kilometra. Čajna žlica tako zgusnuta Sunca težila bi kao Mount Everest. Kad bismo Zemlju pretvorili u crnu rupu, morali bismo je nagurati u kuglu polumjera manjeg od centimetra.

POTRAGA ZA CRNIM RUPAMA

Fizičari dugo nisu vjerovali da bi tako ekstremna stanja materije ikad mogla nastati i mnogi su mislili da su crne rupe tek proizvod mašte teoretičara. Međutim, proteklih deset godina gomilaju se sve uvjerljiviji dokazi o postojanju crnih rupa.

BlackHole

Naravno, budući da su crne, ne može ih se izravno zamijetiti pretražujući nebo teleskopima. Umjesto toga, astronomi traže crne rupe tražeći anomalije u ponašanju drugih, običnijih zvijezda koje emitiraju svjetlost, a možda su blizu horizonta događaja kakve crne rupe. Na primjer, dok prašina i plin iz vanjskih slojeva obližnje obične zvijezde padaju prema horizontu događaja crne rupe, bivaju ubrzani gotovo do brzine svjetlosti. Pri takvim brzinama, trenje unutar vrtloga tvari koja pada stvara ogromnu količinu topline pa smjesa prašine i plina “sja”, emitirajući i običnu, vidljivu svjetlost i rendgenske zrake. Budući da to zračenje nastaje tik izvan horizonta događaja, ono uspijeva pobjeći od crne rupe i krenuti na putovanje svemirom kako bi ga se moglo zapaziti i izravno proučiti.

Teorija opće relativnosti daje detaljna predviđanja o tome kakva će svojstva imati te emisije rendgenskih zraka; promatranja tih predviđenih svojstava pružaju jake, premda neizravne dokaze o postojanju crnih rupa. Sve više dokaza upućuje na to da postoji vrlo masivna crna rupa, oko dva i pol milijuna puta masivnija od Sunca, u samom središtu naše galaksije Mliječni put. No čak i ta, naizgled orijaška crna rupa blijedi u usporedbi s onima koje, kako astronomi vjeruju, borave u jezgrama zadivljujuće svijetlih kvazara, raspršenih diljem svemira: mase tih crnih rupa mogle bi iznositi i milijarde Sunčevih masa.

NERIJEŠENA PITANJA

Supermasivne crne rupe daju nam mnoštvo neodgovorenih pitanja. Zašto su one tako učestala pojava u galaksijama? Što je nastalo prije – galaksija ili rupa? Kako su se one formirale?

Misterij supermasivnih crnih rupa postaje još veći ako znamo da su one postojale u ranom stadiju svemira. Prema posljednjim istraživanjima, prva supermasivna crna rupa postojala je prije gotovo 13 milijardi godina, što znači da je nastala 770 milijuna godina poslije velikog praska. Kako su crne rupe mogle postati tako velike u relativno kratkom razdoblju?

153309main_hidden_blackhole_lg

Fizičari su izračunali je potrebno najmanje 50 milijuna godina da bi se određena crna rupa udvostručila. Ovaj tempo nikako ne može objasniti postojanje supermasivnih crnih rupa nakon samo 770 milijuna godina.

Astrofizičari su predložili dva glavna načina kako bi se mogle formirati velike crne rupe u ranom svemiru.

Prvi način – pretpostavlja kako su najranije crne rupe zapravo ostaci zvijezda. Prve nastale zvijezde u ranom svemiru najvjerojatnije su bile ekstremno masivne u usporedbi s onima koje će tek doći, kao što je npr. naše Sunce. Primordijalni oblaci plinova bili su bez elemenata koji pomažu pri hlađenju plina i kreiranju manjih gruda. Zbog toga su velike zvijezda izgarale veoma brzo i iz njih su nastajale crne rupe koje su imale 100 puta veću mase od Sunca. Daljnje širenje moglo bi se dogoditi ukoliko bi velika rupa bila formirana unutar guste skupne zvijezda. U tom  slučaju postojeća velika rupa mogla bi „progutati“ ostale manje crne rupe, te time doći do mase 10000 puta veće od sunčeve.

Drugi način – Nakon što su astronomi saznali da velike crne rupe mogu postojati u ranom svemiru, počeli su se pitati da li je moguć alternativni nastanak crnih rupa.  Istražitelji su predložili model kojime bi se preskočilo formiranje zvijezda srednje veličine. Umjesto već predstavljenog načina, dolazi do kolapsa velikoga oblaka plina koji kreira supermasivne zvijezde koje mogu biti milijardu puta masivnije od Sunca.

Prema Mitchu Begelmanu sa Sveučilišta u Coloradu, takve zvijezde su veoma krhke i mogu opstati samo nekoliko milijuna godina prije nego njihova jezgra doživi kolaps i kreira supermasivnu crnu rupu.

Izvori/dodatna čitanja:

Cosmology: Goldilocks black holes, Jenny E. Greene, Scientific American, 2011.

The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, Brian Greene, W.W.Norton, 2003.

How do supermassive black holes form?, Hamish Johnston,  AAS meeting, 2011.

Big Black Hole Found in Tiny Galaxy, Jenny E. Greene, Nature, 2011.

Hrvoje Krpan

Neznanje je pogonsko gorivo znanosti

Moglo bi vam se svidjeti...

Odgovori

Vaša adresa e-pošte neće biti objavljena. Nužna polja su označena s *