Crne rupe

Apr 14, 2014 by

“Crna rupa je mesto gde je Bog delio sa nulom.” U ovoj staroj naučnoj šali ima istine, sa našim jednačinama se doista događa dosta toga čudnog kada pokušamo da ih primenimo na unutrašnjost “horizonta događaja” crne rupe. Pa, šta je zapravo crna rupa, osim što je predmet naučnih viceva?

black-hole-star-accretion

         Najprostije (i najbolje) objašnjenje jeste da je crna rupa deo prostor vremena čija gravitacija, usled ogromne mase, sprečava da bilo šta izađe iz nje, uključujući i svetlost. Iz fizike nam je već poznata činjenica da je brzina bežanja (brzina koja je potrebna nekom telu da bi se ono oslobodilo gravitacionog uticaja drugog tela) direktno proporcionalna masi drugog tela. Ova činjenica je najvidljivija upravo na primeru crnih rupa: da bi se bilo koje telo oslobodilo gravitacionog “zagrljaja” crne rupe, ono mora imati brzinu veću od brzine svetlosti.

                                                                            1. Istorija crnih rupa

Sam naziv Crna rupa skovao je Dr. Džon Arčibald Viler (Dr. John Archibald Wheeler) tokom svog rada na opštoj relativnosti gravitacionog kolapsa. Međutim, Dr. Viler nije jedini naučnik koji je izneo hipotezu o postojanju crnih rupa, nije ni Ajnštajn iako su njegove jednačine dozvoljavale tu mogućnost. Prvi naučnici koji su došli na ideju o postojanju tela čija je gravitacija toliko jaka da ni svetlost ne može da pobegne jesu Džon Mičel (John Michell) i Pjer-Simon Laplas ( Pierre-Simon Laplace) u XVIII veku.
Kasnije, početkom XX veka (1916. godine) Karl Švarcšild (Karl Schwarzschild) objavio je prvi moderan rad o crnim rupama baziran na Ajnštajnovoj Teoriji opšte relativnosti. U tom radu Švarcšild je opisao područje oko Crne rupe koje je nazvao “Švarcšildov radius”. Ovaj radius je područje koje se širi od centra Crne rupe, a telu koje se nađe unutar njega potrebna je brzina veća od brzine svetlosti da bi se oslobodilo gravitacije crne rupe. Ovaj naučnik je rekao da će, ako je radius tela manji ili jednak Švarcšildovom radiusu, ono biti sažeto u tačku beskonačne gustine (singularnost) i tako postotati crna rupa. Danas nam je Švarcšildov radius poznatiji pod nazivom “horizont događaja”. Da bismo ovo bliže objasnili navešćemo primer Sunca: Švarcšildov radius za objekat mase našeg Sunca iznosi dve milje, dakle, ako bi Sunce kompresovali u loptu prečnika dve milje ili manje ono bi se pretvorilo u crnu rupu.

                                                                             2. Tipovi crnih rupa

Kao i kod ostalih nebeskih tela ni crne rupe nisu iste pa ih je zato potrebno klasifikovati u skladu sa njihovim karakteristikama. Kod crnih rupa razlikujemo dve glavne karakteristike na kojima se bazira njihova podela, te karakteristike su rotacija i naelektrisanje. Podela crnih rupa izgleda ovako:

A. Švarcšildova crna rupa je nerotirajuća, nenaelektrisana crna rupa. Ova crna rupa u Ajnštajnovoj Teoriji relativiteta opisuje gravitaciono polje sferične nerotirajuće mase. Jednačine kojima se ovaj tip crnih rupa opisuje mogu se takođe iskoristiti za aproksimacione proračune sporo rotirajućih tela kakva su Zemlja, ili Sunce.

B. Rejsner-Nordstrumova crna rupa je naelektrisana nerotirajuća crna rupa koju su prvi otkrili Hans Rejsner i Ganar Nordstrum po kojima je i dobila ime.

C. Kerova crna rupa je nenalektrisana i rotirajuća crna rupa, a predstavlja rešenje Ajnštajnovih jednačina polja (Kerov vakuum) koje opisuju prostor-vreme oko masivnog rotirajućeg objekta (crne rupe).

D. Ker-Njumanova crna rupa je crna rupa koja ima ugaoni momenat (rotirajuća je)  i naelektrisanje.

                                                                       3. Kako se formiraju Crne rupe?

Kada neka zvezda umre može se dogoditi jedna od tri stvari, u zavisnosti od mase same zvezde: zvezda se može pretvoriti u crnu rupu, neutronsku zvezdu, ili belog patuljka. Kao što sam već naveo masa zvezde je ono što određuje u šta se će se zvezda pretvoriti nakon svoje smrti, zvezde koje imaju masu od 1,2 do 1,4 mase Sunca postaće beli patuljci, one sa masom od 1,4 do 2 mase Sunca postaće neutronske zvezde, a one još masivnije (zvezde sa masom iznad Candrasekarove granice) postaće crne rupe. Prilikom nastanka zvezde velika količina gasa i prašine sabija se na malu zapreminu što kao posledicu ima povećanje temperature u centru sabijenog gasa. Kako se velike količine gasa sabijaju temepratura u centru raste sve do granice od desetak miliona stepeni nakon koje počinje da se odvija termonuklearna reakcija (fuzija) prilikom koje se laki elementi (vodonik na prvom mestu) pretvaraju u teže elemente oslobađajući energiju u vidu toplote i zvezda se rađa. Tokom svog života zvezde troše svoje gorivo stvarajući sve teže i teže elemente koji zahtevaju sve više energije da bi se proces fuzije u centru zvezde nastavio. Prilikom svakog prelaska na fuziju nekog težeg elementa u još teži zvezda kolabira do određene granice nakon koje, sa povećanjem temperature, termonuklearne reakcije u njenom centru ponovo otpočinju i zvezda nastavlja dalje svoj život. Ovaj postupak se ponavlja sve dok termonuklearne reakcije (fuzija) ne stvore veliku količinu gvožda u njenom jezgru koje zahteva mnogo veću količinu energije da bi se fuzija nastavila, što dovodi do toga da spoljni omotač zvezde kolabira ka centru bez mogućnosti da to kolabiranje proizvede dovoljno energije da proces fuzije ponovo započne. Ovo dovodi do toga da se spoljni omotač zvezde bogat lakšim elementima odbaci, što se događa zbog toga što preostala energija iz jezgra zvezde doslovno gura spoljni omotač dalje od sebe (proces koji je nama poznat kao eksplozija Supernove) a samo jezgro u zavisnosti od mase zvezde ostaje da postoji kao neutronska zvezda ili, u slučaju najmasivnijih zvezda, kolabira dalje do pomenutog Švarcšildovog radijusa, to jest do stvaranja crne rupe.

                                                                              4. Delovi crnih rupa

Nerotirajuće crne rupe

Horizont događaja predstavlja granicu crne rupe unutar koje se svetlost više ne može otisnuti ka spoljnoj sredini. Ova granica nije fizička površina već predstavlja zamišljenu sferu oko crne rupe čija se unutrašnjost ne može videti spolja. Horizont događaja obrazuje se nakon kolabiranja zvezde tako što fotoni, koji se kreću od singularnosti (centra crne rupe) ka spolja, usporavaju obrazujući stojeći talasni front. Kao što je već navedeno na početku teksta radius horizonta događaja naziva se Švarcšildov radius. Zbog prirode same crne rupe horizont događaja je propustljiv samo u jednom smeru što znači da informacija može ući ali ne može napustiti horizont događaja.

Singularitet je karakteristika nerotirajućih crnih rupa a definiše se kao tačka beskonačne gustine sa nultom vrednošću zapremine. Međutim, ovde postoji neslaganje između opšte relativnosti i kvantne mehanike. Jednačine kvantne mehanike ne dopuštaju objektima da imaju nultu zapreminu pa se singularitet iz ugla kvantne mehanike može opisati kao ogromna masa sabijena na najmanju moguću zapreminu.

Fotonska sfera je sfera koja nastaje oko horizonta događaja tako što fotoni bivaju zarobljeni gravitacijom crne rupe ali ne bivaju uvučeni u nju pa nastavljaju da kruže oko horizonta događaja. Radijus fotonske sfere je kod nerotirajućih crnih rupa je 1,5 puta veći od radijusa horizonta događaja. Fotonske sfere oko crnih rupa nisu naročito dugotrajni efekti iz dva razloga. Prvi razlog je taj što fotoni koji čine ovu sferu bivaju inkorporirani u materiju kojom se crna rupa hrani postajući tako deo singularnosti u njenom centru, a drugi je taj da imaju veoma nestabilne putanje koje može poremetiti i najmanje kolebanje što kao posledicu ima padanje fotona u horizont događaja i dalje ka centru crne rupe.

Akrecioni disk je sastavljen od materije koja, privučena jakom gravitacijom crne rupe, stvara disk oko nje. Ova pojava stvara veliko trenje jer je materija u akrecionom disku izuzetno sabijena a to stvara veliku temperaturu i izaziva emitovanje fotona veome velike energije. Važno je napomenuti da je ovaj proces pretvaranja materije u energiju daleko jači i efikasniji od nuklearne fuzije u zvezdama.

Mlazevi plazme nastaju kao posledica magnetnog polja materije iz akrecionog diska tokom procesa konzumiranja materije od strane crne rupe. Oni nastaju u centru ose rotiranja materije u akrecionom disku i mogu biti ogromne dužine (dužina ovih mlazeva može biti skoro kao dužina čitave galaksije).

Rotirajuće crne rupe

– Kod rotirarjućih crnih rupa razlikujemo dva horizonta događaja: unutrašnji i spoljašnji. Kada se rotacija crne rupe ubrza, unturašnji horizont događaja se širi sabijajući spoljašnji. Ako crna rupa počne prebrzo da rotira oba horizonta će se stopiti i smanjiti ka singularnosti. Ovakvo brzo rotiranje crne rupe dovodi do pojave golih singularnosti, to jest crnih rupa koje ne poseduju horizont događaja.

– Rotirajuće crne rupe takođe imaju i dve fotonske sfere koje se nalaze oko oba horizonta događaja. Razlika između jedne i druge je u tome što se fotoni koji nailaze u pravcu suprotnom od smera okretanja crne rupe obilaze istu u spoljnoj fotonskoj sferi dok bi oni koji na crnu rupu nailaze u smeru njenog okretanja bili deo unutrašnje sfere.

Ergosfera je oblast izvan spoljnog horizonta događaja. Ona ima elispoidni oblik koji dodiruje spoljni horizont događaja na polovima. Spoljna granica ergosfere naziva se ergopovrš i nije fizička već zamišljena površina, a unutrašnja granica je spolA stellar-mass black hole in orbit with a companion star located about 6,000 light years from Earth.jni horizont događaja. U ergosferi prostor-vreme kruži oko crne rupe brže od brzine svetlosti dok na ergopovrši rotira brzinom svetlosti. Sve čestice koje upadnu u ergosferu ubrzavaju dobijajući energiju, ali pošto nisu prešle granicu horizonta događaja one mogu napustiti ergosferu sa energijom većom od početne. Ovaj proces naziva se Penrouzov proces, po Rodžeru Penrouzu koji je na to prvi ukazao 1969. godine. Danas se smatra da bi, na osnovu zakona verovatnoće, određeni deo materije koji upadne u ergosferu završio u singularnosti dok bi preostala materija bila izbačena u okolni prostor sa energijom većom od početne. Ovim procesom crna rupa gubi energiju.

Singularnost u obliku prstena je karakteristika rotirajućih crnih rupa i na osnovu Opšte relativnosti predstavlja prsten u ekvatorijalnoj ravni crne rupe sa nultom debljinom. Ipak, kao što smo već napomenuli kod singularnosti nerotirajućih crnih rupa, kvantna mehanika ne dozvoljava objektima da imaju nultu vrednost bilo koje dimenzije, ali dok se ne pronađe novi način opisa singularnosti, singularnost u obliku prstena će ostati najpribližnija ideja sa kojom trenutno raspolažemo.

Social Comments

Related Posts

Tags

Share This

Leave a Reply