Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Forţe fundamentale » Gravitația » Găuri negre

Găuri negre

Gaură neagră în fața Marelui Nor Magellanic
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:BH_LMC.png

(Vedere simulată a unei găuri negre în fața Marelui Nor Magellanic. Observați efectul de gravitație al lentilei, care produce două vederi lărgite dar foarte distorsionate ale Norului. În partea de sus, discul Căii Laptelui apare distorsionat într-un arc.)

O gaură neagră este o regiune a spațiu-timpului, care prezintă efecte gravitaționale atât de puternice încât nici măcar particulele și radiațiile electromagnetice, cum ar fi lumina, nu pot scăpa din interior. Teoria relativității generale prezice că o masă suficient de compactă poate deforma spațiu-timpul pentru a forma o gaură neagră. Limita regiunii din care nu este posibilă evadarea se numește orizontul evenimentului. Deși orizontul evenimentului are un efect enorm asupra soartei și a circumstanțelor unui obiect care îl traversează, nu se observă caracteristici detectabile local. În multe privințe, o gaură neagră acționează ca un corp negru ideal, deoarece nu reflectă lumină. În plus, teoria câmpului cuantic în spațiu curbat prezice faptul că orizonturile evenimentului emit radiație Hawking, cu același spectru ca un corp negru cu o temperatură invers proporțională cu masa sa. Această temperatură este de ordinul a miliardimi de kelvin pentru găurile negre de masă stelară, făcându-le în esență imposibil de observat.

Obiectele ale căror câmpuri gravitaționale sunt prea puternice pentru ca lumina să scăpe au fost considerate pentru prima dată în secolul al XVIII-lea de către John Michell și Pierre-Simon Laplace. Prima soluție modernă a relativității generale care ar caracteriza o gaură neagră a fost găsită de Karl Schwarzschild în 1916, deși interpretarea sa ca regiune a spațiului din care nu poate scăpa nimic a fost publicată pentru prima dată de către David Finkelstein în 1958. Găurile negre au fost considerate mult timp o curiozitate matematică; abia în anii 1960 lucrările teoretice au arătat că era o predicție generică a relativității generale. Descoperirea stelelor neutronice a dat naștere interesului pentru obiectele compacte colapsate gravitațional, ca o posibilă realitate astrofizică.

Găurile negre de mase stelare sunt de așteptat să se formeze atunci când stelele foarte masive se prăbușesc la sfârșitul ciclului lor de viață. După ce s-a format o gaură neagră, ea poate continua să crească absorbind masa din jurul ei. Absorbind alte stele și fuzionând cu alte găuri negre, se pot forma găuri negre supermasive de milioane de mase solare. Există un consens general că găurile negre supermasive există în centrele celor mai multe galaxii.

În ciuda interiorului său invizibil, prezența unei găuri negre poate fi dedusă prin interacțiunea sa cu alte materii și cu radiațiile electromagnetice cum ar fi lumina vizibilă. Materia care cade pe o gaură neagră poate forma un disc extern de acreție încălzit de frecare, formând unele dintre cele mai strălucitoare obiecte din univers. Dacă există alte stele care orbitează o gaură neagră, orbitele lor pot fi folosite pentru a determina masa și locația găurii negre. Astfel de observații pot fi folosite pentru a exclude posibilele alternative, cum ar fi stelele neutronice. În acest fel, astronomii au identificat numeroși candidați ca gaură neagră stelară în sistemele binare, și au stabilit că sursa radio cunoscută sub numele de Sagittarius A*, în centrul galaxiei Calea Laptelui, conține o gaură neagră supermasivă de aproximativ 4,3 milioane de mase solare.

La 11 februarie 2016, LIGO a anunțat prima observație a undelor gravitaționale; deoarece aceste unde au fost generate dintr-o fuziune cu gaura neagră, a fost prima detectare directă a unei fuziuni binare cu gaura neagră. La 15 iunie 2016, a fost anunțată o a doua detectare a unui eveniment de undă gravitațională din găurile negre care se ciocnesc.

Istorie

Ideea unui corp atât de masiv încât nici măcar lumina nu putea scăpa a fost propusă de pionierul astronomic și clericul englez John Michell într-o scrisoare publicată în noiembrie 1784. Calculele simpliste ale lui Michell au presupus că un astfel de corp ar putea avea aceeași densitate ca Soarele și a concluzionat că un astfel de corp s-ar forma atunci când diametrul unei stele depășește Soarele cu un factor de 500, iar viteza de evacuare a suprafeței depășește viteza obișnuită a luminii. Michell a observat în mod corect că asemenea corpuri supermasive, dar non-radiante, pot fi detectabile prin efectele lor gravitaționale asupra corpurilor vizibile din apropiere. Cercetătorii de atunci au fost inițial entuziasmați de propunerea că stelele uriașe, dar invizibile, ar putea fi ascunse în mod obișnuit, dar entuziasmul s-a atenuat când natura ondulatorie a luminii s-a dezvoltat la începutul secolului al XIX-lea. Dacă lumina ar fi o undă mai degrabă decât un „corpuscul”, a devenit neclar ce, dacă există, ar influența gravitația asupra undelor de lumină care vor scăpa. Relativitatea modernă dezvăluie în mod real noțiunea lui Michell despre o rază de lumină direct de pe suprafața unei stele supermassive, care este încetinită de gravitația stelei, oprindu-se și apoi căzând înapoi pe suprafața stelei.

Proprietăți și structură

Gaură neagră(O simplă ilustrare a unei găuri negre care nu se rotește.)

Teorema calviției afirmă că, odată ce atinge o stare stabilă după formare, o gaură neagră are doar trei proprietăți fizice independente: masa, sarcina și momentul unghiular. Orice două găuri negre care împărtășesc aceleași valori pentru aceste proprietăți sau parametri nu se pot distinge conform mecanicii clasice (adică non-cuantică).

Aceste proprietăți sunt speciale, deoarece sunt vizibile din afara unei găuri negre. De exemplu, o gaură neagră încărcată respinge alte sarcini se același semn ca orice alt obiect încărcat. În mod similar, masa totală dintr-o sferă care conține o gaură neagră poate fi găsită prin utilizarea analogului gravitațional al legii lui Gauss, masa ADM, departe de gaura neagră. De asemenea, impulsul unghiular poate fi măsurat de la distanță folosind deplasarea cadrelor de câmpul gravitmagnetic.

Atunci când un obiect cade într-o gaură neagră, orice informație despre forma obiectului sau distribuția sarcinii pe acesta este distribuită uniform de-a lungul orizontului găurii negre și este pierdută de observatorii din afară. Comportamentul orizontului în această situație este un sistem disipativ care este aproape analog cu cel al unei membrane conductoare elastice cu frecare și rezistență electrică – paradigma membranei. Acest lucru este diferit de alte teorii de câmp, cum ar fi electromagnetismul, care nu au nicio frecare sau rezistivitate la nivel microscopic, deoarece sunt reversibile în timp. Deoarece o gaură neagră atinge în cele din urmă o stare stabilă cu doar trei parametri, nu există nicio modalitate de a evita pierderea informațiilor despre condițiile inițiale: câmpurile gravitaționale și electrice ale unei găuri negre oferă foarte puține informații despre ceea ce a intrat. Informațiile pierdute includ orice cantitate care nu poate fi măsurată departe de orizontul găurii negre, inclusiv numere cuantice aproximativ conservate, cum ar fi numărul total de barioni și numărul de leptoni. Acest comportament este atât de confuz încât a fost numit paradoxul pierderii informațiilor de gaura neagră.

Formarea și evoluția

Având în vedere natura exotică a găurilor negre, poate fi firesc să ne întrebăm dacă astfel de obiecte bizare pot exista în natură sau să sugerăm că acestea sunt doar soluții patologice pentru ecuațiile lui Einstein. Einstein însuși a crezut în mod eronat că găurile negre nu s-ar forma, deoarece el a susținut că momentul unghiular de colapsare a particulelor ar stabiliza mișcarea lor la o anumită rază. Aceasta a determinat comunitatea generală de relativitate să renunțe la toate rezultatele contrarii pentru mulți ani. Cu toate acestea, o minoritate de relativiști au continuat să susțină că găurile negre erau obiecte fizice și, până la sfârșitul anilor 1960, au convins majoritatea cercetătorilor din domeniu că nu există niciun obstacol în calea formării unui orizont de evenimente.

Penrose a demonstrat că odată ce se formează un orizont de evenimente, relativitatea generală fără mecanica cuantică necesită formarea unei singularități. La scurt timp după aceea, Hawking a arătat că multe soluții cosmologice care descriu Big Bang au singularități fără câmpuri scalare sau alte materii exotice. Soluția Kerr, teorema calviției și legile termodinamicii găurilor negre au arătat că proprietățile fizice ale găurilor negre erau simple și inteligibile, făcându-le subiecte respectabile pentru cercetare. Procesul de formare primară a găurilor negre este de așteptat să fie colapsul gravitațional al obiectelor grele, cum ar fi stelele, dar există și procese mai exotice care pot duce la producerea găurilor negre.

Dovezi observaționale

Sagittarius A* (Aspectul previzibil al găurii negre care nu se rotește cu inelul toroidal de materie ionizată, așa cum a fost propus ca model pentru Sagittarius A*. Asimetria se datoreaza efectului Doppler rezultat din viteza orbitală enormă necesară echilibrării centrifugale a puternicei atracții gravitaționale a găurii.)

Prin natura lor, găurile negre nu emit direct nici o radiație electromagnetică, altele decât radiația ipotetică Hawking, așa că astrofizicienii care caută găuri negre trebuie să se bazeze, în general, pe observații indirecte. De exemplu, existența unei găuri negre poate fi uneori dedusă prin observarea interacțiunilor gravitaționale cu împrejurimile acesteia.

Telescopul Horizon Event, cu toate acestea, condus de Observatorul Haystack al MIT, este o încercare de a observa direct mediul imediat al orizontului de eveniment al Sagittarius A*, gaura neagră din centrul Căii Laptelui, și pentru a produce o imagine de siluetă a acesteia. Prima imagine poate apărea încă din 2018. În 2015, telescopul a reușit să detecteze câmpurile magnetice chiar în afara orizontului evenimentului Sagittarius A*, și chiar să discearnă unele dintre proprietățile lor. Existența câmpurilor magnetice a fost prezisă de studiile teoretice ale găurilor negre.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *