Crne jame
Gravitacija je početak i kraj zvijezda. Ona skuplja velike količine plina i prašine koji se nalaze u međuzvjezdanim oblacima, sabija ih i ako imaju dovoljno mase, započinje termonuklearne reakcije u njihovom središtu. Tada, milijune i milijarde godina oni stvaraju energiju, toplinu i pritisak (koji je balans sili teže i drži zvijezdu u stabilnom stanju). Kada su izvori energije u zvijezdi potrošeni, gravitacija nesmetano počne sabijati zvijezdu. Zvijezde poput sunca se sabiju (smanje) i postanu bijeli patuljci - s milijun puta većom gustoćom od vode, održani kvantnim silama između elektrona. Ako je masa kolapsirajuće zvijezde veća od 1.44 sunčevih masa, gravitacija prevlada kvantne sile i zvijezda doživi daljini kolaps, te postane neutronska zvijezda, milijun puta veće gustoće od bijelog patuljka, održana kvantnim silama između neutrona. Energija oslobođena u tom kolapsu rasprši vanjske slojeve zvijezde, stvarajući eksploziju supernove. Ako je masa kolapsirajuće zvijezde veća od tri Sunčeve, nema te sile koja ju može spasiti od potpunog kolapsa u crnu jamu.
Što je to crna jama ? Crna jama je regija svemira u kojemu je gravitacijska sila tako jaka da joj ništa ne može pobjeći. To je jama u smislu da stvari mogu upadati u nju, ali ne mogu izaći. "Crna" je u smislu da čak niti svijetlost ne može pobjeći. Drugim riječima, crna jama je objekt sa kojega je brzina potrebna da ga napustite veća od brzine svjetlosti - krajnje granice brzine u Svemiru. Godine 1783. britanski astronom Rev. John Mitchell je shvatio da iz Newtonovih zakona gravitacije i gibanja proizlazi da, što je masivniji objekt to je potrebna veća brzina da ga napustite. On je shvatio da kada bismo mogli nekako napraviti nešto što je 500 puta veće od Sunca, ali sa istom gustoćom, čak se niti svjetlost ne može gibati dovoljno brzo da pobjegne sa tog objekta, pa stoga taj objekt ne bi bio niti vidljiv. Međutim, trebala nam je Einsteinova teorija relativiteta i moderna teorija gravitacije da bi astronomi i fizičari shvatili pravu prirodu i karakteristike crnih jama. Granica crne jame naziva se horizont događaja jer sve što se događa unutar njega, sakriveno je od pogleda izvana. Astronom Karl Schwarzschild pokazao je da radijus horizonta događaja za zvijezdu mase jednake Suncu iznosi 3 km; taj radijus se naziva Schwarzschildov radijus. Horizont događaja je jednosmjerni filtar u crnu rupu; bilo što može ući, ali ništa ne može izići. Crna jama je jako jednostavan objekt. Ima samo tri osobine: masu, spin (okret) i električni naboj. Obzirom na koji naćin nastaju crne jame, njihov električni naboj je vjerojatno nula, što ih čini još jednostavnijima. Sastojci materije u crnoj jami nisu poznati, što zbog činjenice da je sakrivena od vanjskog svemira, što zbog činjenica da bi materija u teoriji trebala kolapsirati do radijusa nula, točke koju matematičari zovu singularitet, beskonačne gustoće - nešto što ne možemo iskusiti na Zemlji. Crne jame se teorijski karakteriziraju u tri različite veličine: male ("mini"), srednje i velike ("supermasivne"). Postoji velik dokaz da srednje-velike crne jame nastaju kao ostatak masivnih zvijezda koje kolapsiraju na kraju svojeg životnog ciklusa, a da supermasivne crne jame postoje u središtima mnogih galaksija - vjerojatno uključujući i našu vlastitu.
Mini crne jame Crna jama s masom manjom od tri Sunčeve mase ne bi nastala pod vlastitim kolapsom; njena gravitacija je pre slaba da bi uzrokovala kolaps. Bio bi potreban enormni pritisak izvana da se stvori "mini crna jama". Godine 1971. astrofizičar Stephen Hawking je razvio teoriju da je u gustoj žestini Velikog Praska koji je stvorio svemir, takav enormni pritisak postojao i mnogo mini crnih jama se je formiralo. One bi bile masivne poput planina ali malene poput protona koji čine atome. Imali bi još jedno neobično svojstvo: kao rezultat kvantne mehanike koja vlada sitnim česticama u svemiru, one bi spontano zračile energiju i nakon milijardi godina vjerojatno isparile u silnoj eksploziji. Kako slijedi, mini crne jame možda ne bi bile potpuno "crne" i to je svakako zanimljiva mogućnost. Ne postoji opservacijski dokaz o postojanju mini crnih jama, ali u principu, moglo bi bitni takvih objekata raspoređenih po Svemiru, možda čak i pored našeg Sunčevog Sustava.
Kako "vidjeti" crnu jamu ? Možemo se pitati, kako se crna jama može vidjeti ako čak niti svjetlost ne može pobjeći s nje. Crne jame imaju masu, koja stvara gravitacijsku silu a ona stvara efekte oko sebe. Ta gravitacijska sila bi bila veoma jaka pored crne jame i mogla bi imati zamjetljiv utjecaj na svoju okolinu. Materijal koji bi padao na crnu jamu bi dobio energiju od gravitacijske sile i bio bi zgnječen i ugrijan dok bi pokušavao da se stisne u usko grlo crne jame, pritom emitirajući (rendgenske) x zrake. Prvi primjer crne jame je otkriven po takvom gravitacijskom efektu na obližnju zvijezdu. Cygnus X-1 bilo je ime dodijeljeno izvoru x-zraka u zviježđu Cygnus, koji otkriven 1962. godine sa primitivnim "x-ray" (rendgenskim) teleskopom montiranim na raketi. Do godine 1971. lokacija tog izvora x-zraka na nebu je bila još preciznije izmjerena, koristeći raketu i satelitsko promatranje. Glavni proboj informacija dogodio se je u Ožujku 1971. godine, kada je novi izvor radio valova otkriven u Cygnus-u, pored pozicije izvora x-zraka. Radio signal je varirao u isto vrijeme kada je varirala i jačina x-zraka i to je bio velik dokaz da su izvori radio i x-zraka jedan te isti objekt. Slabo vidljiva zvijezda po imenu HDE 226868 nalazi se na poziciji tog radio izvora. Astronomi su proučavajući svijetlo zvijezde HDE 226868 otkrili dvije važne činjenice: 1) HDE 226868 je plavi superdiv - masivna normalna zvijezda pri kraju svojeg životnog vijeka 2) tu zvijezdu obilazi jedan masivni objekt u orbiti koja traje 5.6 dana. Iz gravitacijske sile potrebne da održi HDE 226868 u orbiti, moguće je odrediti masu prateće zvijezde - ona iznosi 10 Sunčevih masa. Međutim taj prateći objekt ne pokazuje ni najmanju količinu vidljivog svijetla - i nešto u tom objektu proizvodi x-zračenje. Objašnjenje ili model koji najbolje objašnjava ove činjenice je taj da je prateći objekt zapravo crna jama, mase oko 10 Sunčevih - dakle ostatak masivne zvijezde koja je nekada bila pratioc HDE 226868. X-zrake nastaju kada plin iz atmosfere plavog superdiva pada na kolapsirani objekt i tada dolazi do njegovog zagrijavanja. Kolapsirani objekt ne može biti bijeli patuljak ili neutronska zvijezda, jer ti objekti ne mogu imati mase veće od 1.44 Sunčeve odnosno 3 Sunčeve za neutronsku zvijezdu. Mi vjerojatno nikada nećemo biti u stanju dokazati ovu teoriju Cygnusa X-1 tako da "vidimo" crnu rupu, ali podrobni dokazi su jaki. Tri druga objekta - LMC X-3 u Velikom Mageljanovom Oblaku, A0620-00 i V404 Cygni u našoj galaksiji se također smatraju da imaju crne rupe za pratioce.
Super-masivne crne jame Prije četvrt stoljeća, astronomi su otkrili udaljene i rijetke objekte koji su proizvodili neobično velike količine energije u neobično malom volumenu - snaga triljona Sunca u volumenu ne većem od našeg Sunčevog Sustava. Ti objekti su nazvani kvazi stelarni radio objekti - kvazari. Ukratko - zbog toga što su izgledali kao zvijezde ali su proizvodili velike količine radio valova kao i svjetlosti. Astronomi su također shvatili, iako su kvazari bili rijetki, da postoji dosta drugih objekata koji (očito galaksije) su pokazali nešto slične, ali manje ekstremne verzije sličnog fenomena: veoma velika snaga iz veoma malog volumena. Ti objekti zajedno su dijelili neobično svojstvo: Mlazovi visoko-energetskih čestica izlijetali su iz njihovih jezgri. Ta svojstva bilo je jako teško objasniti koristeći znanje fizike tadašnjeg vremena, pa su astronomi čak postavili pitanje dali je fizika uopće točna. U godinama poslije, astronomi su shvatili da postoji objašnjenje za te aktivne jezgre galaktika koje je u skladu sa promatranjima i teorijom - iako to objašnjenje pomuti čovjeku pamet: u jezgri tih galaksija postoje supermasivne crne jame s masom milijuna i milijardi Sunčevih. Veličina horizonta događaja bila bi otprilike velika kao naš Sunčev Sustav. Snaga promatranih mlazova koji se javljaju može se objasniti ako godišnje u crnu jamu upadne materijal mase ekvivalente našem Suncu - dakle količina materijala koja bi mogla jednostavno doći od "vjetrova" plina stvorenih od zvijezda blizu jezgre. Mlazovi čestica u jezgri aktivne galaksije nastaju od materijala koji u spirali obilazi crnu jamu i biva zgnječen na vrhu i dnu diska kada pokuša ući u crnu rupu. Ovo objašnjenje "motora" jezgre aktivne galaksije je dobilo potporu od slika koje je dao Hubble Svemirski Teleskop.
Kako nastaje super-masivna crna jama ? Neke teorije drže da je prva generacija zvijezda uključivala i jako masivne zvijezde, koje su se kasnije pretvorile u crne jame i nekako spojile. Druge teorije kažu da su pojedinačne "izvorne" crne jame privukle zvijezde i plin, rastući i postajući sve masivnije i masivnije. Postoje dokazi da super-masivna crna jama postoji u središtu mnogih galaksija, uključujući i naš Mliječni Put te susjednu galaksiju Andromedu (poznatu kao M31). Postoje također dokazi o tome da se super-masivne crne jame formiraju dosta rano u razvoju galaksije: Vidimo kvazare koji se nalaze toliko daleko da je njihova svijetlost, putujući brzinom od 300 000 kilometara/sec, morala napustiti te objekte vrlo brzo nakon što su formirani. Super-masivna crna jama stoga mora biti normalan dio procesa stvaranja i evolucije galaksije.
Crne jame i znanstvena fantastika Pojam, apsurdan poput crnih jama prirodno privlači interes i kreativnost pisaca znanstvene fantastike. Najomiljenija tema je korištenje crne jame kao staze za dospjeti u neki drugi dio svemira. Matematički gledano, par crnih jama mogao bi stvoriti most između dvije lokacije u svemiru, ali nije baš jasno kako bi taj most mogao opstati. Crna jama, koja nastane iz zvijezde bi bila nepouzdana za putovanje, jer materija koja bi padala na nju bila zgnječena i spaljena uslijed plimnih sila kada bi ušla u crnu jamu. Super-masivna crna jama bi imala nešto manje plimne sile ali najbliža takva nalazi se u galaktičkom središtu, a to je poprilično daleko. Rotirajuća crna jama ima nešto više zanimljivih mogućnosti jer kod nje postoji dio zvan ergosfera, odmah izvan horizonta događaja koji ima sljedeće svojstvo - objekti mogu ići i izići iz ergosfere (naravno ako uspiju izdržati enormne plimne sile). Svemirski brod pun smeća mogao bi ući u ergosferu, baciti teret u crnu jamu, te izaći iz crne jame i to sa više energije nego što je imao kada je ušao u nju - iz toga dobivamo rješenje energetske krize i problem zagađenja u isto vrijeme (barem u teoriji)!.
Umjetnička koncepcija Cygnus X-1 sistema. HDE 226868 je masivna plava superdivovska zvijezda; njen pratioc je najvjerojatnije crna jama, okružena akcesijskim diskom plina koji dolazi od HDE 226868 i spiralno pada prema crnoj jami. Zvijezda i crna jama su u orbiti jedna oko druge. Postojanost crne jame zaključena je upravo iz orbitalnog gibanja zvijezde i iz x-zračenja stvorenog od plina u akcesijskom disku koji se zagrijava kako pada na crnu jamu. (Crtež: William J. Kaufmann III, Universe, W.H. Freeman & Company, 1991.).
Mitovi o crnim jamama
Daljnja literatura o crnim jamama:
Znanstvena fantastika sa interesantnim i dosta točnim opisima crnih jama:
Autor teksta: |
