Crne rupe su možda najtajanstveniji objekti u svemiru. Osim ako se, naravno, stvari ne sakriju negdje u dubini, čije postojanje ne znamo i ne možemo znati, što je malo vjerojatno. Crne rupe su ogromna masa i gustoća, stisnute u jednu točku malog radijusa. Fizička svojstva ovih predmeta toliko su čudna da zbunjuju najsofisticiranije fizičare i astrofizičare. Sabine Hossfender, teoretska fizičarka, sastavila je izbor od deset činjenica o crnim rupama koje bi svi trebali znati.
Što je crna rupa?
Svojstvo crne rupe koje definira je njezin horizont. Ovo je granica iza koje se ništa, čak ni svjetlost, ne može vratiti. Ako se odvojeno područje zauvijek odvoji, govorimo o "horizontu događaja". Ako je samo privremeno odvojen, govorimo o "vidljivom horizontu". Ali ovo "privremeno" moglo bi značiti i da će regija biti odvojena mnogo dulje od današnjeg doba svemira. Ako je horizont crne rupe privremen, ali dugovječan, razlika između prvog i drugog je mutna.
Koliko su velike crne rupe?
Možete zamisliti horizont crne rupe kao kuglu, a njegov će promjer biti izravno proporcionalan masi crne rupe. Stoga, što više mase padne u crnu rupu, crna rupa postaje veća. Međutim, u usporedbi sa zvjezdanim objektima, crne rupe su malene, jer se masa stisne u vrlo male količine pod utjecajem neodoljivog gravitacijskog tlaka. Na primjer, radijus crne rupe s masom planeta Zemlje iznosi samo nekoliko milimetara. To je 10 000 000 000 puta manje od sadašnjeg radijusa Zemlje.
Promotivni video:
Polumjer crne rupe naziva se radijus Schwarzschild po Karlu Schwarzschildu, koji je prvi put crne rupe izveo kao rješenje Einsteinove opće teorije relativnosti.
Što se događa na horizontu?
Kad prijeđete horizont, oko vas se ništa posebno ne događa. Sve zbog Einsteinova načela ekvivalencije, iz kojeg proizlazi da ne možete pronaći razliku između ubrzanja u ravnom prostoru i gravitacijskog polja koje stvara zakrivljenost prostora. Međutim, promatrač daleko od crne rupe koji gleda kako netko drugi pada u nju primijetit će da će se osoba kretati sve sporije i sporije kako se približava horizontu. Kao da se vrijeme kreće sporije u blizini horizonta događaja nego što se udaljava od horizonta. Međutim, proći će neko vrijeme, a promatrač koji padne u rupu preći će horizont događaja i naći se unutar radijusa Schwarzschilda.
Ono što ćete doživjeti na horizontu ovisi o plimnim silama gravitacijskog polja. Plimne sile na horizontu obrnuto su proporcionalne kvadratu mase crne rupe. To znači da je veća i masivnija crna rupa manja sila. A ako je samo crna rupa dovoljno masivna, možete prijeći horizont prije nego što uopće primijetite da se nešto događa. Učinak ovih plimnih sila protegnut će vas: tehnički izraz koji fizičari koriste za to je špagetifikacija.
U prvim danima opće relativnosti vjerovalo se da na obzoru postoji singularnost, no pokazalo se da to nije slučaj.
Što je unutar crne rupe?
Nitko ne zna sa sigurnošću, ali definitivno ne s policom s knjigama. Opća relativnost predviđa da postoji singularnost u crnoj rupi, mjestu gdje plimne sile postaju beskrajno velike, a nakon što prijeđete horizont događaja, ne možete ići nigdje drugdje nego u singularnost. Sukladno tome, bolje je ne koristiti opću relativnost na tim mjestima - ona jednostavno ne djeluje. Da bismo znali što se događa unutar crne rupe, trebamo teoriju kvantne gravitacije. Općenito je prihvaćeno da će ta teorija zamijeniti singularnost nečim drugim.
Kako nastaju crne rupe?
Trenutno znamo na četiri različita načina stvaranja crnih rupa. Najbolje razumljivo povezano je sa zvjezdanim kolapsom. Dovoljno velika zvijezda stvara crnu rupu nakon što prestane njena nuklearna fuzija, jer je sintetizirano sve što se već moglo sintetizirati. Kad prestane tlak stvoren fuzijom, materija počinje padati prema vlastitom gravitacijskom središtu, postajući sve gušća. Na kraju postaje toliko gusta da ništa ne može nadvladati gravitacijski učinak na površini zvijezde: tako se rađa crna rupa. Te crne rupe nazivaju se "crnim rupama solarne mase" i najčešće su.
Sljedeća uobičajena vrsta crne rupe su "supermasivne crne rupe", koje se mogu naći u središtima mnogih galaksija i imaju mase otprilike milijardu puta veće od sunčevih crnih rupa. Još se zasigurno ne zna kako su točno nastali. Vjeruje se da su nekad počinjale kao crne rupe solarne mase koje su proždirale mnoge druge zvijezde u gusto naseljenim galaktičkim središtima i rasle. Međutim, čini se da oni apsorbiraju materiju brže nego što sugerira ova jednostavna ideja, a kako to točno čine, još uvijek je stvar istraživanja.
Kontroverznija ideja bile su iskonske crne rupe, koje je mogla stvoriti gotovo bilo koja masa u velikim fluktuacijama gustoće u ranom svemiru. Iako je to moguće, teško je pronaći model koji ih proizvodi bez pretjeranog stvaranja.
Napokon, postoji vrlo špekulativna ideja da bi se na Velikom hadronskom sudaraču mogle stvoriti male crne rupe s masama bliskim masi Higgsovog bozona. To djeluje samo ako naš svemir ima dodatne dimenzije. Do sada nije bilo potvrde u korist ove teorije.
Kako znamo da postoje crne rupe?
Imamo puno opažajnih dokaza za kompaktne objekte velikih masa koji ne emitiraju svjetlost. Ti se predmeti daju gravitacijskim privlačenjem, na primjer, zbog kretanja drugih zvijezda ili oblaka plina oko njih. Oni također stvaraju gravitacijsko leće. Znamo da ti predmeti nemaju čvrstu površinu. To proizlazi iz promatranja, jer bi materija koja padne na objekt s površinom trebala prouzročiti oslobađanje više čestica nego materija koja pada kroz horizont.
Zašto je Hawking prošle godine rekao da crne rupe ne postoje?
Mislio je da crne rupe nemaju vječni horizont događaja, već samo privremeni prividni horizont (vidi odlomak prvi). U strogom smislu, samo se horizont događaja smatra crnom rupom.
Kako crne rupe emitiraju zračenje?
Crne rupe emitiraju zračenje zbog kvantnih učinaka. Važno je napomenuti da su to kvantni učinci materije, a ne kvantni učinci gravitacije. Dinamično prostorno vrijeme kolapsirajuće crne rupe mijenja samu definiciju čestice. Poput protoka vremena, koji se iskrivljuje u blizini crne rupe, koncept čestica previše ovisi o promatraču. Konkretno, kada promatrač koji pada u crnu rupu misli da pada u vakuum, promatrač daleko od crne rupe misli da to nije vakuum, već prostor prepun čestica. Istezanje prostora-vremena uzrokuje taj učinak.
Prvi put otkrio Stephen Hawking, zračenje koje emitira crna rupa naziva se Hawking zračenje. To zračenje ima temperaturu obrnuto proporcionalnu masi crne rupe: što je crna rupa manja, to je temperatura viša. Zvjezdane i supermasivne crne rupe za koje znamo da imaju temperature znatno ispod temperature mikrovalne pozadine i stoga se ne promatraju.
Što je informacijski paradoks?
Paradoks gubitka informacija uzrokuje Hawkingovo zračenje. To zračenje je čisto toplinsko, odnosno slučajno ima samo temperaturu i određena svojstva. Samo zračenje ne sadrži nikakve informacije o tome kako je nastala crna rupa. Ali kad crna rupa emitira zračenje, ona gubi masu i skuplja se. Sve je to potpuno neovisno o tvari koja je postala dio crne rupe ili od koje je nastala. Ispada, znajući samo konačno stanje isparavanja, ne može se reći iz čega je nastala crna rupa. Taj je postupak "nepovratan" - i kvaka je u tome što u kvantnoj mehanici ne postoji takav postupak.
Ispostavilo se da je isparavanje crne rupe nespojivo s kvantnom teorijom koju poznajemo i po tom pitanju treba nešto poduzeti. Otklonite nedosljednost nekako. Većina fizičara vjeruje da je rješenje da Hawkingovo zračenje mora nekako sadržavati informacije.
Što Hawking predlaže za rješavanje paradoksa informacija o crnoj rupi?
Ideja je da crne rupe moraju imati način za pohranu informacija koje još nisu prihvaćene. Informacije se pohranjuju na horizontu crne rupe i mogu uzrokovati sitna pomaka čestica u Hawkingovom zračenju. U tim sitnim pomicanjima mogu postojati podaci o zarobljenoj materiji. Točni detalji ovog postupka trenutno nisu jasni. Znanstvenici čekaju detaljniji tehnički rad Stephena Hawkinga, Malcolma Perryja i Andrewa Stromingera. Kažu da će se pojaviti krajem rujna.
Trenutno smo sigurni da crne rupe postoje, znamo gdje su, kako nastaju i što će na kraju postati. Ali detalji o tome kamo im informacije idu, i dalje predstavljaju jednu od najvećih misterija u svemiru.
Ilja Khel
