Gaură neagră

Parte a seriei de articole despre
Relativitate generală
$G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }={8\pi G \over c^{4}}T_{\mu \nu }$
Istoric Teste Formulare matematică
Concepte fundamentale Principiul relativității Teoria relativității Sistem de referință Sistem de referință inerțial Principiul echivalenței Echivalență masă–energie Relativitatea restrânsă Geometrie riemanniană
Fenomenologie Gravitoelectromagnetism Gravitație Câmp gravitațional Lentilă gravitațională Undă gravitațională Deplasarea spre roșu Deplasarea spre albastru Dilatarea timpului Dilatare temporală gravitațională Întârzierea Shapiro Potențial gravitațional Compresie gravitațională Colaps gravitațional Orizont de evenimente Singularitate gravitațională Singularitate nudă Gaură neagră Gaură albă Spațiu-timp Spațiu Timp Diagrama Minkowski Spațiu Minkowski Gaură de vierme
Ecuații și teorii Ecuații Ecuațiile lui Einstein Friedmann Mathisson–Papapetrou–Dixon Hamilton–Jacobi–Einstein Formalism ADM BSSN Newman-Penrose Post-Newtonian Teorii avansate Teoria Kaluza–Klein Gravitație cuantică Supergravitație
Soluții Schwarzschild Reissner–Nordström Gödel Kerr Kerr–Newman Kasner Lemaître–Tolman Robertson–Walker Praful lui van Stockum
Oameni de știință Einstein Lorentz Hilbert Poincaré Schwarzschild de Sitter Reissner Nordström Weyl Eddington Friedman Milne Zwicky Lemaître Gödel Wheeler Robertson Bardeen Walker Kerr Chandrasekhar Ehlers Penrose Hawking Raychaudhuri Taylor Hulse van Stockum Taub Newman Yau Thorne alții

O gaură neagră este un obiect astronomic înconjurat de o suprafaţă limită în care câmpul gravitaţional este atât de puternic încât nimic nu poate scăpa după ce a trecut de această suprafaţă orizontul evenimentului. Radiaţia electromagnetică (lumina de ex.) nu poate scăpa dintr-o gaură neagră, aşa încât interiorul unei găuri negre nu este vizibil, de aici provenind şi numele. Gaura neagră are în centrul ei o regiune cunoscută şi ca „singularitate". La suprafaţa limită gravitaţia este atât de mare, încât nici o rază de lumină n-are energie suficientă pentru a pătrunde în afară. Deplasarea gravitaţionala spre roşu este la această suprafată limită, infint de mare. Viteza de scăpare gravitaţională este la suprafaţa limită egală cu viteza lumini, aşa încât raza suprafeţei limită este egală cu raza traiectoriei circulare, numită raza Schwarzschild.

Proprietăţi fizice

Cea mai simplă gaură neagră are masă, dar nu are moment cinetic. Aceste găuri negre sunt adesea denumite găuri neagre Schwarzschild după fizicianul Karl Schwarzschild, care a descoperit soluţia ecuaţiilor de câmp ale lui Einstein din 1915. Acesta a fost prima soluţie exactă în teoria relativităţii generale din domeniul ecuatiilor lui Einstein care a fost descoperită, şi în conformitate cu teorema relativităţii a lui Birkhoff numai soluţia vacuum prezintă o simetrie sferică a spaţiului-timp. Acest lucru înseamnă că nu există nici o diferenţă observabilă între câmpul gravitaţional al unei astfel de gauri neagre şi oricare alt obiect sferic de masa asemănătoare. Noţiunea populară a unei gauri neagri că "atrage tot în ea" din ceea ce există în apropierea sa este, prin urmare corectă doar aproape de limita orizontului găurii neagre; mai departe, câmpul gravitaţional extern este identic cu al oricărui alt corp cu masă asemănătoare.

More general black hole solutions were discovered later in the 20th century. The Reissner-Nordström metric describes a black hole with electric charge, while the Kerr metric yields a rotating black hole. The more generally known stationary black hole solution, the Kerr-Newman metric, describes both charge and angular momentum.

While the mass of a black hole can take any positive value, the charge and angular momentum are constrained by the mass. In natural units , the total charge $Q\,$ and the total angular momentum $J\,$ are expected to satisfy

$Q^{2}+\left({\tfrac {J}{M}}\right)^{2}\leq M^{2}\,$

for a black hole of mass M.

Black holes saturating this inequality are called extremal. Solutions of Einstein's equations violating the inequality do exist, but do not have a horizon. These solutions have naked singularities and are deemed unphysical, as the cosmic censorship hypothesis rules out such singularities due to the generic gravitational collapse of realistic matter. This is supported by numerical simulations.

Due to the relatively large strength of the electromagnetic force, black holes forming from the collapse of stars are expected to retain the nearly neutral charge of the star. Rotation, however, is expected to be a common feature of compact objects, and the black-hole candidate binary X-ray source GRS 1915+105 appears to have an angular momentum near the maximum allowed value.

Formarea

Cand o stea de aprox. 20 de ori mai mare ca soarele isi epuizeaza "combustibilul" intra in colaps nemaiputand sa sustina toate reactiile ce au loc in interiorul ei. Ea explodeaza provocand o explozie de proportii numita "supernova". Dar miezul stelei ramane compact. Colapsul continua. Particulele miezul se zdrobesc una de alta din cauza propriei gravitatii pana cand tot ce ramane este e gaura neagra.

O explicatie schematica a unei gauri negre ar fi urmatoarea:

Se cunoaste faptul ca masa distorsioneaza spatiul. Ce inseamnă asta? Daca spatiul ar fi un un plan intins, pentru ca Terra sa poate exista in el, distorsioneaza. In locul unde se afla Pamantul spatiul nu mai este plan ci se produce o adancitura. O gaura neagra produce o adancitura extrem de mare in spatiu, care din cauza adancimii da impresia de gaura.

Un expemplu practic ar fi urmatorul:

Avem un lac. Ne imaginam ca acesta reprezinta spatiul. Punem cateva sfere in el care plutesc si care reprezinta corpurile ceresti. Daca in lacul respectiva ar aprea un vartej de apa foarte puternic si mai ales adanc, toata apa (care reprezinta spatiul), si odata cue si sferele (coprurile ceresti) ar fi atrase in acel vartej, puterea cu care apa (saptiul) se duce in vartej fiind atat de mare incat sferelor le este imposibli sa scape.

Componenta si efectele

La margine unei garui negre este o "granita" invinzibila numita orizontul evenimentelor. Odata depasita aceasta granita nimic nu poate scapa din gaura neagra, nici macar lumina, motiv pentru care ceea ce se intampla intr-o gaura neagra este invinzibil deunde provin si numele. In interiorul unei gauri negre, in ciuda aparentelor, se presupune ca este extrem de luminos, deoarece lumina este si ea prinsa in gaura neagra. Materia absorbita de gaura neagra este de asemenea acolo, fiind supusa la diverse efecte fizice, si comprimata. In centrul unei gauri negre este unul dintre cele mai misterioase fenomene fizice: singularitea. Singularitate este un punct de volum ce tinde spre zero (0) dar care contine o masa ce tinde spre infinit .In cazul unei gauri negre, singularitatea este masa unei intregi stele de minim 20 de ori mai mare ca Soarele nostru, concentrata intr-un punct al spatiului. Singularitatea are o forta gravitationala colosala; ea da forta de atractie a unei gauri negre.

O gaura neagra poate ingloba extrem de multa materie, in ciuda dimensiunilor ei nu tocmai mari, deoarece ea comprima materia. Materia pe care o gaura neagra nu intra in ea cu o traiectorie dreapta, ci rotindu-se in spriala, apropiindu-se din ce in ce mai mult de gaura. In timp ce gaura neagra abosarbe multa materie, din cauza rotirii acesteia in jurul gaurii, gaura neagra numai pare negara din cauza culorii materiei care, in timp ce se roteste poate depasii de zeci de ori marime gaurii negre. Dar gaura neagra ramane in centrul cercului de materie, fiind vizibila.

O gaura neagra super-masiva este un adevarat "monstru" spatial. Ea este de milioane de ori mai mare decat o gaura neagra obisnuita si poate captura de miliarde de ori mai multa materie decat contine Soarele nsotru. Acesti "mostri" pot absorbi galaxii intregi. Majoritatea galaxiilor de mari proportii (de ex: Calea Lactee) au in centrul o gaura neagra super-masiva

$r=2\left({\tfrac {GM}{c^{2}}}\right),$

Despre găurile negre

“ Dacă raza unei sfere, cu aceeaşi densitate ca cea a Soarelui, ar depăşi raza acestuia într-o proporţie de 500 la 1, un corp ce ar cădea de la o înalţime foarte mare - infinită - ar avea la contact viteza egală cu viteza luminii. Lumina este la rândul ei atrasă de aceeaşi forţă, proporţională cu masa inerţială a sferei. În consecinţă toată lumina emisă de un astfel de corp ar fi imediat atrasă de forţa lui gravitaţională. ”

John Mitchell – 1783, într-o lucrare adresată Societăţii Regale din Anglia

Istoric

O gaură neagră fictivă

• 1783 În lucrarea lui John Mitchell adreasată Societăţii Regale din Anglia se aduce pentru prima oară în discuţie ideea unui corp suficient de mare, capabil să absoarbă şi lumina.
• 1796 Matematicianul Pierre-Simon Laplace suţine ideea lui Mitchell în primele doua ediţii din cartea Expoziţia Sistemului Lumii; dar ideea era neverosimilă în secolul al XIX-lea când încă nu se ştia că lumina este influenţată de forta gravitaţională (lumina era considerată o undă fară masă).
• 1915 Einstein publică Teoria relativităţii generalizate, în prealabil demonstrând faptul că lumina este influenţată de forţa gravitaţională. Câteva luni mai târziu Karl Schwarzschild demonstrează că, cel puţin teoretic, o gaură neagră poate exista. Raza Schwarzschild, obţinută ca soluţie Schwarzschild, numită şi metrică Schwarzchild, este dată de soluţia exactă nerotaţională a ecuaţiei relativităţii generalizate, care este în prezent considerată raza unei găuri negre statice sau nerotaţionale (clasice).
• 1920 Subrahmanyan Chandrasekhar susţine că, conform teoriei relativităţii, un corp care nu mai emite radiaţii şi are masa mai mare decât o anumită limită (numită limita Chandrasekhar) s-ar prăbuşi în el însuşi (prăbuşire gravitaţională, în interior, asemănătoare unei implozii), deoarece nu ar fi nimic care să împiedice prăbuşirea respectivă.
• 1939 Robert Oppenheimer si H. Snyder emit ideea că stelele mari pot trece prin prăbuşiri gravitaţionale (prin prăbuşirea gravitaţională se înţelege o prăbuşire în interiorul ei, ca şi cum ea ar fi absorbită de propria-i gravitaţie). Astfel de corpuri au fost cunoscute şi sub formă de stele îngheţate (prăbuşirea este scurtă iar corpul se înroşeşte în zona razei Schwarzchild); termenul de „îngheţat” nu se referă la o temperatură foarte scăzută ci la „oprirea timpului” în sens cosmologic.
• 1967 Stephen Hawking şi Roger Penrose demonstrează că ideea de gaură neagră a plecat de la teoria relativităţii a lui Einstein iar în unele cazuri formarea lor este inevitabilă. Interesul general creşte odată cu descoperirea pulsarilor (stele care emit un semnal radio regulat).
• 1976 Stephen Hawking demonstrează că, odată formată o gaură neagră, ea începe să piardă din masă radiind energie (radiaţie Hawking), ceea ce intră in contradicţie cu fizica cuantică.
• 2004 Este descoperit un grup de găuri negre ce duce la noi teorii privind distribuţia găurilor negre în univers şi la concluzia că există de cinci ori mai multe găuri negre decât s-a presupus până acum.
  • Samir Mathur din Ohio State University, demonstrează că modelând o gaură neagră conform teoriei corzilor, aceasta apare ca o mare „încurcătură de corzi”, radiaţia Hawking emisă de către aceasta având şi informaţii legate de ce este înăuntru. Teoria corzilor susţine un model al universului care are la bază corzi mici vibrante, în loc de particule punctiforme.
• Iulie 2004
  • În constelaţia Ursa Mare este descoperită o gaură neagră gigantică (Q0906+6930), dimensiunea găurii negre, precum şi vârsta sa aproximativă pot oferi informaţii despre vârsta universului.
  • Hawking rezolvă paradoxul găurilor negre, demonstrând ca radiaţia emisă de o gaură neagră conţine informaţii referitoare la conţinutul acesteia, dar această informaţie este foarte greu de descifrat de către om, neavând nimic în comun cu informaţia care a intrat in gaura neagră.
• Noiembrie 2004 Un grup de cercetători au descoperit o gaură neagră în galaxia noastră, orbitând la trei ani lumină de constelaţia Săgetătorului.
• Februarie 2005 SDSS J090745,0+24507, o stea gigantică, părăseşte Calea Lactee având o viteză de două ori mai mare decât în mod normal (aproximativ 0,0022 din viteza luminii), fapt care dovedeşte existenţa unei găuri negre foarte mari în centrul galaxiei.
• Au existat rapoarte de observare a unor găuri negre microscopice, pe Pământ, în acceleratoare de particule, dar nu s-a putut dovedi existenţa lor.
• Telescopul Hubble a identificat recent două grupuri de găuri negre M15 şi G1, dar care nu se află in Calea Lactee.
• Aprilie 2006 NASA simulează contopirea a două găuri negre.
• Steve Allen prin studiile efectuate de NASA cu Chandra, demonstrează că putem folosi găurile negre şi sub formă de combustibil.

Dacă miezul lăsat în urmă de către explozia unei supernove are masa mai mare decât cea a soarelui nostru, forţa care ţine laolaltă neutronii nu este suficient de mare ca să poată echilibra forţa gravitaţională proprie. Miezul continuă să se stingă. În momentul în care masa miezului este suficient de concentrată, forţa gravitaţională a acestuia este imensă.

Această forţă nu se poate explica în fizica clasică şi astronomii folosesc teoria relativităţii a lui Einstein ca să explice comportamentul luminii şi al materiei faţă de această imensă forţă gravitaţională.

Potrivit relativităţii generale, spaţiul din jurul miezului este atât de puternic curbat încât atrage şi lumina. O stea de zece ori mai mare decât soarele nostru se poate transforma într-o gaură neagră doar dacă se comprimă până la un diametru de aproximativ 90 km sau chiar mai puţin.

Presupunerile astronomilor spun că mijlocul galaxiei noastre este o gaură neagră imensă.

Vezi şi

• Undă gravitaţională

Legături externe

• en Site web interactiv despre fizica găurilor negre
• en Răspunsuri la întrebări frecvente despre găurile negre
• en Geometria Schwarzschild pe situl lui Andrew Hamilton
• en Găurile negre pe situl „Knowledge storage”
• en Universitatea Tufts: Despre găurile negre
• en Film al unei posibile găuri negre - Institutul Max Planck
• en Simularea Găurilor negre binare (13 Apr 2006)
• en Noutăţi despre cercetările în domeniul găurilor negre
• en Revista „Scientific American” (Numărul din iulie 2003) Perechea ciudată a universului: Găuri negre gigantice şi naşterea stelelor
• en Revista „Scientific American” (Numărul din mai 2005) Găuri negre cuantice
• en SPACE.com Totul despre găurile negre