Spatiu

Gaura neagra – Cel mai misterios fenomen din univers

O gaura neagra este o regiune din spatiu care are atat de multa masa concentrata in ea incat nici un obiect din apropiere nu poate scapa de atractia ei gravitationala. Avand in vedere ca cea mai buna teorie despre gravitatie pe care o avem in acest moment este Teoria Generala a Relativitatii a lui Einstein, trebuie sa folosim niste rezultate ale ei pentru a intelege gaurile negre mai in detaliu. Dar sa incepem mai usor, gandindu-ne la gravitatie sub circumstante destul de simple.Sa presupunem ca ne aflam pe suprafata unei planete. Aruncam o piatra pe directie verticala. Presupunand ca nu o aruncam prea tare, ea se va ridica un pic, dar pana la urma acceleratia datorata gravitatiei planetei o va face sa cada din nou. Daca aruncam piatra destul de tare am putea s-o facem sa scape total de gravitatia planetei. Se va ridica la nesfarsit. Viteza cu care aruncam o piatra pentru ca ea sa scape de atractia gravitationala a planetei se numeste ‘viteza de evadare’. Viteza de evadare depinde de masa planetei: daca o planeta este extrem de masiva, atunci gravitatia ei este foarte puternica, deci viteza de evadare este foarte mare. Viteza de evadare depinde de asemenea de distanta la care ne aflam de centrul planetei: cu cat suntem mai aproape, cu atat mai mare viteza de evadare. Viteza de evadare a Pamantului este de 11,2 km/s, in timp ce aceea a Lunii este de doar 2,4 km/s. Sa ne imaginam un obiect cu o concentratie enorma de masa intr-o atat de mica raza incat viteza de evadare este mai mare decat viteza luminii. Deci, cum nimic nu poate merge mai repede decat lumina, nimic nu poate scapa din campul gravitational al obiectului. Chiar si lumina va fi trasa inapoi de gravitatie si nu va fi in stare sa scape.

 

Ideea unei concentratii de masa atit de densa incat nici lumina nu poate scapa dateaza inca din timpul lui Laplace in secolul XVIII. Aproape imediat dupa ce Einstein a dezvoltat relativitatea generala, Karl Schwarzschild a dat solutia ecuatiei matematice care descria un astfel de obiect. Abia mult mai tarziu, prin 1930, datorita muncii lui Oppenheimer ,Volkoff si Snyder, oamenii s-au gandit ca acest tip de obiecte chiar exista in Univers. Acesti cercetatori au aratat ca atunci cand o stea suficient de masiva ramane fara combustibil, nu mai e in stare sa reziste impotriva propriei atractii gravitationale, si colapseaza intr-o gaura neagra.In relativitatea generala, gravitatia este o manifestare a curburii spatiu-timp. Obiectele masive distorsioneaza(deformeaza) spatiul si timpul, astfel incat regulile uzuale ale geometriei nu se mai aplica. Langa o gaura neagra, distorsiunea spatiu-timp este foarte severa si din aceasta cauza gaurile negre au niste proprietati foarte ciudate. O gaura neagra are ceva ce se cheama ‘orizontul evenimentului’. Acesta este o suprafata sferica ce marcheaza granita gaurii negre. Poti „intra” in gaura prin acest orizont, dar nu mai poti iesi niciodata. De fapt, odata ce ai trecut de orizontul evenimentului, esti condamnat sa te apropii din ce in ce mai mult de ‘singularitatea’ din centrul gaurii negre.Ne putem imagina orizontul evenimentului fiind locul unde viteza de evadare este egala cu viteza luminii. In afara acestui orizont, viteza de evadare este mai mica decat viteza luminii, deci daca turati motorul indeajuns, puteti scapa de atractia gravitationala. Dar daca va aflati in interiorul orizontului, oricat de puternic ar fi motorul tot nu veti scapa.Orizontul are niste proprietati geometrice foarte ciudate. Pentru un observator care sta nemiscat la distanta mare de gaura neagra, orizontul pare a fi o suprafata sferica frumoasa si statica. Dar odata cu apropierea de orizont, ne dam seama ca are o viteza foarte mare. De fapt se misca spre exterior, relativ la singularitate, cu viteza luminii! Asta explica de ce e usor sa treci orizontul spre interior, dar e imposibil s-o faci in directia opusa.

Odata intrat in orizont spatiu-timpul este distorsionat atat de mult incat coordonatele care descriu distanta radiala si timpul isi schimba rolurile. Adica „r”,coordonata care arata cat de departe suntem de centru, devine o coordonata asemanatoare timpului, iar „t” devine asemanatoare spatiului. O consecinta a acestui fapt este aceea ca nu te poti opri din miscarea spre un ‘r’ din ce in ce mai mic, la fel cum in circumstante obisnuite nu te poti opri din mersul spre viitor adica spre valori din ce in ce mai mari ale lui ’t’. In final, ne vom lovi de singularitate la r=0. Am putea incerca s-o evitam, turand motorul, dar e inutil: nu conteaza directia in care mergi nu-ti poti evita viitorul. Incercarea de a evita singularitatea, odata trecut orizontul evenimentului, e la fel ca si cum ai incerca sa eviti ziua de maine.Numele „gaura neagra” a fost inventat de John Archibald Wheeler, si s-a incetatenit datorita faptului ca are mai mult lipici, ca sa spun asa, decat celelelte dinaintea lui. Inaintea lui Wheeler, aceste obiecte erau uneori denumite „stele inghetate”.

Gaurile negre au dus la formarea galaxiilor

Oamenii de stiinta au gasit raspuns la intrebarea „Cine a fost mai intai: oul sau gaina?” in ceea ce priveste formarea universului. Astronomii au ajuns la concluzia ca gaurile negre preced aparitia galaxiilor. Se presupune ca majoritatea galaxiilor, inclusiv Calea Lactee, au gauri negre in centrul lor. Problema care s-a pus este daca gaurile negre au ajutat la formarea galaxiilor prin atragerea de materie sau acestea au aparut in mijlocul galaxiilor deja existente. Noile cercetari, care iau in calcul primele miliarde de ani din istoria universului, arata ca prima ipoteza este mai aproape de adevar. „Se pare ca gaurile negre au aparut primele”, a spus Chris Carilli, de la Observatorul Radioastronomic National din SUA. Observatiile radiotelescopice au relevat ca galaxiile mai tinere si mai departate contin gauri negre mult mai mari comparativ cu masa lor decat cele mai vechi si mai apropiate. „Concluzia este ca gaurile negre au inceput sa creasca primele”, a explicat cercetatorul german Fabian Walter. Urmatoarea provocare pentru oamenii de stiinta este sa descopere cum afecteaza cresterea gaurilor negre dezvoltarea galaxiilor si reciproca.

Galaxiile au in centrul lor o gaura neagra masiva

Toate galaxiile masive au in centrul lor gauri negre supermasive. Dinamica acestora a fost studiata recent de un grup de astronomi germani si americani, iar rezultatele au fost surprinzatoare.Gaurile negre sunt cunoscute pentru campul lor gravitational extrem, datorita caruia nici macar lumina nu le mai poate parasi. In centrul galaxiilor masive exista gauri negre supermasive, cu mase de miliarde de ori mai mari decat cea a Soarelui. In conceptia populara, gaurile negre sunt nedorite, pentru ca ele distrug iremediabil tot ceea ce “ingurgiteaza”.Un grup de astronomi americani si germani vine cu noi rezultate, care arata ca gaurile negre supermasive, cele care se afla in centrul galaxiilor, functioneaza ca niste adevarate inimi pentru galaxie, pompand energie la intervale regulate si contribuind la stabilitatea galaxiilor.

Cercetatorii au observat direct centrul galaxiei M84 cu ajutorul telescopului spatial Chandra, lansat in 1999. Acesta este dotat cu o camera digitala speciala,ce poate fotografia in raze X. Nucleul galaxiei M84 studiat are o dimensiune unghiulara de aproape 2 minute de arc (cam de zece ori mai mic decat dimensiunea unghiulara a Lunii) si o dimensiune de 30.000 de ani lumina.In domeniul spectral investigat de cercetatori (0,5-2 keV) imaginile obtinute de Chandra arata cum nucleul galaxiei emite cateva valuri succesive de materie interstelara puternic incalzita. Materia emisa de nucleul galaxiei se prezinta sub forma unei plasme de temperatura ridicata, care incalzeste efectiv mediul galactic din apropierea centrului galaxiei.Ea este emisa nu de gaura neagra propriu-zisa, ci de vecinatatea acesteia, acolo unde materia absorbita de gaura neagra supermasiva se apropie de orizontul gaurii negre si unde coliziuni puternice sunt foarte probabile. Descrierea acestor fenomene este insa inca un mister pentru oamenii de stiinta. Ceea ce i-a surprins pe cercetatori este prezenta valurilor succesive de emisie de plasma incalzita.Desi fenomenul nu pare sa fie regulat, el are loc la intervale suficient de scurte de timp ca sa incalzeasca in permanenta centrul galaxiei.Intr-o prima instanta, noile observatii prezinta un mecanism pentru un efect observat si in alte galaxii si anume prezenta unui gaz de temperatura ridicata in apropierea centrului galaxiilor. In a doua instanta, prezenta acestui gaz puternic incalzit opreste procesul de formare a noi stele in apropierea centrului galaxiei, pentru ca materia interstelara are nevoie de un mediu mai rece pentru a condensa in stele.O consecinta directa, spun cercetatorii, este stabilitatea galaxiilor. Practic,pentru a-si pastra stabilitatea, aceste galaxii sunt incalzite exact in locatia unde este mai multa nevoie si anume centrul lor. De aceea, adauga ei, gaurile negre supermasive din centrul galaxiilor pot fi asemanate unei inimi, care pompeaza sange in mod regulat in organism, pentru a-i mentine functionarea corecta. Pentru a confirma noul rol al gaurilor negre supermasive, cercetatorii au realizat si simulari numerice hidrodinamice, care confirma in parte mecanismul observat.Desigur, noile observatii asteapta sa fie confirmate si de alte studii. Daca ele sunt corecte, pot arunca o alta imagine asupra rolului gaurilor negre care, iata, poate fi pozitiv.Se prea poate ca gaurile negre sa joace un rol important in stabilitatea galaxiilor si deci in aparitia vietii. De unde pana acum gaurile negre erau asociate cu distrugerea, iata ca rolul lor poate fi nu doar pozitiv, ci, de ce nu, chiar crucial in aparitia vietii.

Gaura neagra CYGNUS X-1 aflata la 1000 de ani lumina de pamant absoarbe masa unei stele invecinate (imagine artistica)

 

Tipuri de gauri negre

Găurile negre super-masive pot îngloba de câteva miliarde de ori mai multă materie decât conţine Soarele.

gaura neagra
Gaura neagra din centrul galaxiei NGC 1277

Aceşti monştri cosmici există în centrul fiecărei galaxii de mari dimensiuni.Găurile negre microscopice au mase minuscule şi în acest caz efectele mecanicii cuantice devin foarte importante. Există teorii care afirmă că acest tip de găuri negre ar fi apărut la momentul Big Bang-ului, şi ar fi dispărut repede sub influenţa efectelor cuantice anterior menţionate. Se crede că în momentul dispariţiei lor acestea ar emite rafale de particule de energii înalte, numai că asemenea evenimente nu au fost detectate.

In 2012 a fost detectata o gaură neagră supermasivă, cu o masă de 17 miliarde de ori mai mare ca a Soarelui nostru, ceea ce o face  cea mai mare gaură neagră detectată până acum. Uriașul obiect cosmic se află în centrul galaxiei NGC 1277, la 220 de milioane de ani-lumină distanță de noi, în constelația Perseus. Aici apare un alt aspect neobișnuit, care o scoate în evidență: gaura neagră din NGC 1277 este enormă, având dimensiunea similară cu cea a întregului nostru sistem solar, deci 14% din întreaga masa a galaxiei sale, fapt care se dovedește surprinzător pentru că în mod normal o gaură neagră ar reprezenta doar 0,1% din galaxia din care face parte.

Găuri negre hoinare prin Calea Lactee. Deşi poate duce a scenariu de film SF, diverse găuri negre hoinăresc prin galaxia noastră ameninţând să înghită tot ce ajunge prea aproape de ele. Noile calcule ale cercetătorilor de la Centrul de Astrofizică Harvard-Smithsonian sugereazăcă sute de găuri negre masive (rămăşiţe ale vremurilor de început ale galaxiei)pot fi în deplasare prin Calea Lactee.Vestea bună este că Pământul e în siguranţă. Cea mai aproape gaură neagră de acest tip se află la mii de ani-lumină distanţă. Astronomii sunt nerăbdători să localizeze astfel de găuri negre pentru a obţine informaţii asupra formării lor. Aceste găuri sunt relicve ale istoriei Căii Lactee, iar astronomii sunt acum nişte arheologi cosmici care le studiază pentru a afla mai multe despre istoria galaxiei noastre.Potrivit teoriei, găurile negre hoinare au apărut iniţial în centrele unor galaxii pitice şi cu masă scăzută. De-a lungul vremii, aceste galaxii pitice s-au contopit pentru a forma galaxii de mărimea Căii Lactee. De obicei, când două galaxii se ciocnesc găurile lor negre se contopesc de asemenea. Dar uneori emisiile de radiaţie gravitaţională trimit una dintre aceste găuri undeva la periferia mega-galaxiei, dar nu suficient de departe pentru a scăpa de forţa ei gravitaţională. Astfel de găuri negre mici pot fi încă în preajma periferiei Căii Lactee. Numărul de găuri negre rătăcitoare prin galaxie depinde de multitudinea de proto-galaxii care au format Calea Lactee. Ele pot fi greu de reperat deoarece o gaură neagră este vizibilă doar când absoarbe materia din preajma sa

Cum detectam o gaura neagra?

Nu este posibilă studierea şi observarea directă a fenomenelor de dincolo de orizontul evenimentelor unei găuri negre. De altfel, despre un obiect care traversează această graniţă imaginară se poate spune că a părăsit pentru totdeauna Universul nostru. Şi atunci, din moment ce nimic, nici măcar lumina, nu poate scăpa acţiunii unei găuri negre, cum reuşesc astronomii să detecteze asemenea fenomene cosmice? Localizarea unei găuri negre izolate în spaţiul cosmic este posibilă datorită observării traiectoriilor curbe pe care lumina provenită de la stelele dinapoia sa le urmează. O şi mai bună şansă de a detecta o gaură neagră ar exista dacă aceasta nu ar fi izolată într-o regiune a spaţiului cosmic, ci ar fi însoţită de o stea vecină care să orbiteze în jurul său. Acest tip de gaură neagră ar absorbi materie din steaua vecină, care ar orbita în jurul său, la o distanţă sigură, în exteriorul orizontului de evenimente. Materia provenită din stea s-ar încălzi pe măsură ce ar fi atrasă înspre gaura neagră, fiind astfel emise cantităţi imense de radiaţie de mare energie. Radiaţiile foarte puternice care provin din zone mici ale spaţiului sau de la stele care orbitează în jurul unor parteneri invizibili

Pot fi create gauri negre in laborator?

Când cel mai puternic accelerator de particule din lume, Large Hadron Collider (LHC), a devenit activ, mulţi cercetători s-au întrebat dacă acesta va deveni o „fabrică de găuri negre”, generând câte o gaură neagră pe secundă. În interiorul acestui accelerator, particulele călătoresc la viteze înalte de-a lungul tunelului circular ce are o circumferinţă de 27 de kilometri înainte de a se ciocni pentru a crea energii explozive. La nivelul maxim de activitate, fiecare particulă emisă de LHC are la fel de multă energie ca un tren de 400 de tone ce călătoreşte cu o viteză de 195 de kilometri pe oră.

 

Până acum, cercetătorii nu au detectat găuri negre la LHC. Cu toate acestea, specialiştii continuă să se arate interesaţi de această posibilitate. Acum, folosind supercomputere, cercetătorii care au simulat coliziuni între particule ce călătoresc cu viteza luminii au arătat că găurile negre se pot forma la energii mai mici decât se credea până acum, insa cu toate acestea  calculele matematice sugerează că ar fi nevoie de un quadrillion (un milion de miliarde) mai multă energie pentru a forma o gaură neagră microscopică decât este capabil în acest moment LHC, astfel că şi o treime din această cantitate este dincolo de abilităţile umane.

Lasă un răspuns

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

Close

Adblock detectat !

Va rugam sa dezactivati Adblock pentru acest domeniu. Va multumim