Ce este si cum functioneaza o gaura neagra?

Nu va lasati pacaliti de nume: o gaura neagra este orice altceva, numai spatiu gol nu. O gaura neagra este mai degraba o cantitate enorma de materie îngramadita într-un spatiu mic. Gânditi-va la o stea de 10 ori cât Soarele, comasata într-o sfera cât New Yorkul.

Rezultatul este un câmp gravitational atât de puternic, încât nimic, nici macar lumina, nu-i poate scapa. În ultimii ani aparatura detinuta de NASA a redat o noua imagine a acestor obiecte bizare, care sunt, pentru multi, cele mai fascinante lucruri din spatiu.

Aceasta imagine în infrarosu realizata de telescopul spatial Spitzer al NASA arata centrul agitat al Caii Lactee. În aceasta imagine, stelele vechi si linistite apar cu albastru, iar praful de lânga stelele masive si fierbinti este rosu. Astronomii cred ca în centrul galaxiei exista o gaura neagra supermasiva, vizibila aici ca un punct alb si luminos. Credit:NASA

In imaginea alaturata realizata in infrarosu de telescopul spatial Spitzer al NASA vedem centrul agitat al Caii Lactee. În aceasta imagine, stelele vechi si linistite apar cu albastru, iar praful de lânga stelele masive si fierbinti este rosu. Astronomii cred ca în centrul galaxiei exista o gaura neagra supermasiva, vizibila aici ca un punct alb si luminos.

Cu toate ca termenul nu a fost inventat decât în 1967 de fizicianul John Wheeler de la Universitatea Princeton, ideea unui obiect din spatiu atât de masiv si dens, încât lumina nu poate scapa influentei sale gravitationale a fost propusa de secole. Cea mai faimoasa prezicere a lor a fost cea facuta de teoria generala a relativitatii a lui Einstein, care a aratat ca atunci când o stea masiva moare, lasa în urma un nucleu dens. Daca masa nucleului este mai mare decât de trei ori masa Soarelui, ecuatiile arata ca forta de gravitatie copleseste celelalte forte si produce o gaura neagra.

Oamenii de stiinta nu pot observa direct gaurile negre, nici chiar folosind telescoape ce detecteaza razele X, lumina sau alte forme de radiatie electromagnetica. Putem, totusi, deduce prezenta gaurilor negre si le putem studia prin detectarea efectelor produse de acestea asupra materiei din apropiere. Daca o gaura neagra trece printr-un nor de materie interstelara, de exemplu, va începe sa atraga material catre interior printr-un proces numit acretie.

Un proces similar poate avea loc daca o stea obisnuita trece prin apropierea unei gauri negre. În acest caz, gaura neagra poate distruge steaua, fragmentele rezultate fiind proiectate catre interiorul astrului. În timp ce materia atrasa accelereaza si se încalzeste, aceasta emite raze X.

Fuzionarea galaxiilor. Aceast? ilustra?ie prezint? dou? galaxii care fuzioneaz?, un eveniment care declan?eaz? o explozie de formare a stelelor ?i ofer? combustibil pentru g?uri negre supermasive in centrul fiec?rei galaxii. P?tratul din stânga jos prezint? o imagine Chandra a dou? g?uri negre centrale - circa 70.000 de ani-lumin? în afar? - apar?inând celor dou? galaxii care fuzioneaz?. Culorile diferite reprezint? diferen?ele de absorb?ie a razelor X de c?tre gazul ?i de praful din jurul g?urilor negre. Credit: CXC / M.Weiss.
Fuzionarea galaxiilor. Aceasta ilustratie prezinta doua galaxii care fuzioneaza, un eveniment care declanseaza o explozie de formare a stelelor si ofera combustibil pentru gauri negre supermasive in centrul fiecarei galaxii. Patratul din stânga jos prezinta o imagine Chandra a doua gauri negre centrale – circa 70.000 de ani-lumina în afara – apartinând celor doua galaxii care fuzioneaza. Culorile diferite reprezinta diferentele de absorbtie a razelor X de catre gazul si de praful din jurul gaurilor negre.
Credit: CXC / M.Weiss.

Descoperirile recente ofera dovezi conform carora gaurile negre au o influenta dramatica asupra vecinilor din imediata apropiere – producând puternice emisii de raze gama, devorând stelele din apropiere si stimulând dezvoltarea de noi stele în unele zone ale spatiului din vecinatate, dar si încetinind procesul în altele.

Alta posibilitate interesanta devine valabila atunci când gaura neagra este într-un sistem solar binar cu o stea compacta, precum cea neutronica sau alta gaura neagra. Când doua gauri negre orbiteaza una în jurul celeilalte, masele lor accelerate creeaza unde gravitationale ce sunt emanate în spatiu si care transporta informatii despre masele si câmpurile gravitationale foarte puternice ce le-au creat. Undele gravitationale sunt unde ale curburii spatiului ce pot fi detectate de misiuni precum Laser Interferometer Space Antenna (LISA) prin modul în care afecteaza geometria spatiului în pozitia detectorului. Sub un anumit aspect, gaura neagra este alcatuita din masa ce o contine si din intensitatea câmpului gravitational din jurul ei, asadar LISA va fi capabila sa vada gaurile negre. Cu ajutorul observatiilor facute, astronomii vor putea studia detaliile câmpului gravitational din jurul gaurilor negre si sa masoare parametrii acestora: masa, rotatia si pozitia lor pe cer.

Sfârsitul unei stele este începutul unei gauri negre

Majoritatea gaurilor negre se formeaza din ramasitele unei stele mari ce a murit prin explozia ei ca si supernova. (Stelele mai mici devin stele neutronice, care nu sunt suficient de masive pentru a captura lumina). Daca masa stelelor este îndeajuns de mare (aproximativ de trei ori masa Soarelui), poate fi teoretic dovedit ca nici o forta nu o poate împiedica sa colapseze sub influenta gravitatiei. Oricum, pe când steaua colapseaza, un lucru straniu se petrece. În timp ce suprafata stelei se afla în imediata apropiere a unei suprafete imaginare numita “orizontul evenimentelor”, timpul de pe stea încetineste în comparatie cu timpul masurat de observatorii îndepartati. Când suprafata stelei ajunge la orizont, timpul se opreste, iar steaua nu mai poate colapsa – este un obiect încremenit.

Explozie dubl?. Atunci când o stea masiv? r?mâne f?r? combustibil, dup? cum arat? ?i aceast? imagine, nucleul se pr?bu?e?te ?i formeaz? o gaur? neagr?. Oamenii de ?tiin?? au crezut mult timp c? explozia ar fi urmat? de o reac?ie a materiei înc? fierbinte, dar noi dovezi oferite de telescopul Swift indic? faptul c? o gaur? neagr? proasp?t creat? cumva re-energizeaz? explozia din nou ?i din nou, creând explozii de energie multiple în câteva minute. Credit: NASA
Explozie dubla. Atunci când o stea masiva ramâne fara combustibil, dupa cum arata si aceasta imagine, nucleul se prabuseste si formeaza o gaura neagra. Oamenii de stiinta au crezut mult timp ca explozia ar fi urmata de o reactie a materiei înca fierbinte, dar noi dovezi oferite de telescopul Swift indica faptul ca o gaura neagra proaspat creata cumva reenergizeaza explozia din nou si din nou, creând explozii de energie multiple în câteva minute. Credit: NASA

În urma ciocnirilor stelare pot aparea gauri negre de mari dimensiuni. Curând dupa lansare, în decembrie 2004, telescopul Swift al NASA observa puternice sclipiri de lumina cunoscute ca explozii de raze gama. Chandra si Telescopul Spatial Hubble au colectat date în urma reactiei produse, astronomii concluzionând ca exploziile puternice pot rezulta când o gaura neagra si o stea neutronica se ciocnesc, producând alta gaura neagra.

„Copii” si „giganti”

Cu toate ca informatiile de baza sunt întelese, un vesnic mister în stiinta gaurilor negre este acela ca par a fi de doua tipuri, complet diferite. Pe de o parte sunt nenumaratele gauri negre, ramasite ale stelelor masive. Presarate pretutindeni în Univers, aceste gauri negre stelare sunt în general de la 10 la 24 de ori mai masive decât Soarele. Astronomii le identifica atunci când o alta stea ajunge îndeajuns de aproape pentru ca materia înconjuratoare sa fie prinsa de gravitatia gaurilor negre, împrastiind raze X în timpul procesului. Majoritatea gaurilor negre stelare duc vieti izolate si sunt imposibil de detectat. Judecând dupa numarul stelelor îndeajuns de mari pentru a produce asemenea gauri negre, oamenii de stiinta estimeaza ca exista între zece milioane si un miliard de asemenea gauri negre singuratice în Calea Lactee.

De cealalta parte sunt gaurile negre gigantice, cunoscute si ca supermasive, care sunt de milioane, daca nu chiar de miliarde de ori mai masive decât Soarele. Astronomii cred ca gaurile negre supermasive se gasesc practic în centrul tuturor galaxiilor mari, chiar si în Calea Lactee. Astronomii le pot detecta urmarind efectele pe care le au asupra stelelor apropiate si a gazului interstelar.

Pâna acum nu s-au gasit dovezi ale existentei gaurilor negre mijlocii.

Grupuri circulare. Timp de decenii, cei mai multi cercet?tori au crezut c? g?urile negre au doar dou? dimensiuni: masa câtorva stele sau masa unui milion de stele sau mai mult. Aceste dou? g?uri negre descoperite recent ofer? un indiciu important ce l?mure?te modul în care g?urile negre se dezvolt?. Gaura neagr? M15 (stânga) este de 4.000 de ori mai masiv? decât Soarele nostru. G1 (dreapta), un grup circular mult mai mare, ad?poste?te o gaur? neagr? masiv?, aproximativ de 20.000 de ori mai masiv? decât Soarele nostru.
Grupuri circulare. Timp de decenii, cei mai multi cercetatori au crezut ca gaurile negre au doar doua dimensiuni: masa câtorva stele sau masa unui milion de stele sau mai mult. Aceste doua gauri negre descoperite recent ofera un indiciu important ce lamureste modul în care gaurile negre se dezvolta. Gaura neagra M15 (stânga) este de 4.000 de ori mai masiva decât Soarele nostru. G1 (dreapta), un grup circular mult mai mare, adaposteste o gaura neagra masiva, aproximativ de 20.000 de ori mai masiva decât Soarele nostru.

 Întrebarea este de ce nu? Din punct de vedere istoric, oamenii de stiinta au crezut ca asemenea gauri negre pur si simplu nu exista, dar observatiile recente au permis unor astronomi sa priveasca lucrurile altfel. Întrebarea daca gaurile negre mijlocii exista este un subiect curent foarte cercetat.

În 1997, Telescopul Spatial Hubble a fost echipat cu un instrument ce separa lumina vizibila în diferite lungimi de unda: Telescopul Spatial cu Imagini Spectografice (STIS). Masuratorile facute de STIS pot dezvalui viteza si celelalte proprietati ale gazului în timp ce se învârte într-o gaura neagra, care la rândul sau dezvaluie anumite caracteristici ale gaurilor negre – de exemplu masa, dar si cât de repede se roteste. Aceste observatii provenite de la Hubble sunt cele ce arata ca majoritatea, dar posibil toate galaxiile mari adapostesc gauri negre.

Materia ce înconjoara o gaura neagra stelara – cunoscuta drept disc de acretie – este compusa din gaz si praf. În jurul unei gauri negre supermasive din centrul unei galaxii discul poate include, de asemenea, stele. În 2004, datele primite de la Chandra au oferit oamenilor de stiinta ocazia de a vedea cum o gaura neagra „devoreaza” o stea din apropiere.

Mai târziu în acel an, Chandra a reperat doua gauri negre supermasive orbitând în aceeasi galaxie – prin urmare sortite sa se ciocneasca. În octombrie 2005, Chandra a descoperit o serie de stele ce par a fi create de gaura neagra supermasiva din centrul Caii Lactee.

scientia.ro

Bogdan

Per aspera ad astra