Czarne dziury wyjaśnione: jak się tworzą, jak wyglądają i dowody ich istnienia

Czarne dziury to regiony przestrzeni, w których grawitacja jest wystarczająco silna, aby poza pewną granicą nawet światło nie mogło uciec. Ta granica nazywa się horyzontem zdarzeń, a NASA opisuje ją jako punkt, w którym prędkość wymagana do ucieczki przekracza prędkość światła.

Jak tworzą się czarne dziury

Najczęstszą drogą jest śmierć masywnej gwiazdy. Według NASA gwiazda o masie ponad 20 mas słonecznych, która wyczerpie paliwo jądrowe w swoim jądrze, zapada się pod własnym ciężarem. Gdy upadające jądro przekroczy około trzy masy słoneczne, żadna znana siła nie może zatrzymać upadek i powstaje czarna dziura.

Supermassywne czarne dziury, które znajdują się w centrum dużych galaktyk i ważą od 100 000 do miliardów mas słonecznych, trudniej wyjaśnić tylko upadkiem gwiazdy. NASA stwierdziła, że pochodzenie supermassywnych czarnych dziur jest słabo zrozumiane, chociaż wiadomo, że istniały od najwcześniejszych dni życia galaktyki.

Czarne dziury również rosną po swoim powstaniu, wciągając otaczający gaz i pył w procesie zwanym akrecją oraz poprzez łączenie się z innymi czarnymi dziurami.

Struktura czarnej dziury

Opis NASA anatomii czarnej dziury wymienia kilka odrębnych części. Osobliwość to teoretyczny punkt w centrum, gdzie, zgodnie z ogólną teorią względności, materia jest ściskana do nieskończonej gęstości. Otaczający go horyzont zdarzeń to punkt bez powrotu.

Dalej, spadający gaz i pył tworzą dysk akrecyjny, rotujący układ, który jest podgrzewany w miarę spiralnego wciągania do wewnątrz, co czyni go jednym z głównych sposobów, w jakie astronomowie w ogóle odkrywają czarne dziury. Blisko czarnej dziury światło może krążyć wiele razy, zanim ucieknie, tworząc cienkie, zniekształcone pierścienie znane jako sfera fotonów. Niektóre czarne dziury generują również miliarddegradową koronę cząstek nad dyskiem oraz pary strumieni, które wyrzucają materię na zewnątrz z prędkością bliską prędkości światła, przy czym strumienie supermassywnych czarnych dziur rozciągają się na setki tysięcy lat świetlnych, według NASA.

Typy czarnych dziur

Astronomowie klasyfikują czarne dziury według masy. Czarne dziury gwiazdowe o masie od około trzech do kilkudziesięciu mas słonecznych są rozproszone w galaktykach takich jak Droga Mleczna. Supermassywne czarne dziury zakotwiczają centrum dużych galaktyk i ważą od 100 000 do miliardów mas słonecznych; ta w sercu galaktyki Messier 87 waży ponad 6 miliardów mas słonecznych, stwierdził NASA. Czarne dziury pośredniej masy w zakresie od 100 do ponad 10 000 mas słonecznych mają mało potwierdzonych przykładów; NASA nazywa zdarzenie fuzji z 2019 roku GW190521, które wyprodukowało czarną dziurę o masie 142 masy słoneczne, najbardziej przekonującym przykładem tej kategorii do tej pory.

Jak naukowcy udowodnili, że czarne dziury są rzeczywiste

Bezpośrednie obrazy czarnej dziury są niemożliwe w zwykłym sensie, ponieważ żadne światło nie może uciec z wnętrza horyzontu zdarzeń. Zamiast tego naukowcy szukają efektów pośrednich, a dwa przełomowe wyniki w ostatniej dekadzie zamieniły czarne dziury z teoretycznego przewidywania na obserwowaną rzeczywistość.

Pierwszy przyszedł 14 września 2015 roku, kiedy dwaj bliźniaczy detektory Advanced LIGO w Stanach Zjednoczonych zarejestrowali sygnał fal grawitacyjnych, później nazwany GW150914, według raportu Physics World na temat odkrycia. Sygnał pochodził od dwóch czarnych dziur o masach 36 i 29 razy większych niż Słońce, łączących się w pojedynczą wirującą czarną dziurę o masie 62 mas słonecznych około 1,3 miliarda lat świetlnych stąd. Różnica, równoważna 3 masom słonecznym, została wypromieniowana jako fale grawitacyjne. Detekcja została zmierzona ze statystyczną istotnością ponad 5,1 sigma i potwierdziła, między innymi, że fale grawitacyjne rozchodzą się z prędkością światła, jak przewidywała ogólna teoria względności Einsteina.

Drugi przełomowy wynik pojawił się 10 kwietnia 2019 roku, kiedy kolaboracja Event Horizon Telescope opublikowała pierwszy w historii obraz sylwetki czarnej dziury, jak doniosła MIT News. Celem była supermassywna czarna dziura w centrum M87, 55 milionów lat świetlnych od Ziemi, o masie 6,5 miliarda Słońc i horyzoncie zdarzeń o szerokości około 40 miliardów kilometrów. Osiem naziemnych teleskopów radiowych, od Hawajów i Arizony po Meksyk, Hiszpanię, Chile i Antarktydę, pracowały razem jako jeden wirtualny instrument, aby uchwycić obraz, który pokazał jasny pierścień świecącego gazu otaczający ciemną centralną „cień".

Ponad 200 naukowców z 13 instytucji partnerskich przyczyniło się do wyniku z 2019 roku, według MIT News, a obserwowany cień zgodził się z przewidywaniami ogólnej teorii względności.

Efekty grawitacyjne na otaczającą przestrzeń

Blisko czarnej dziury spadająca materia spiralnie wchodzi w dysk akrecyjny, który NASA opisuje jako „gorący, jasny, szybko wirujący dysk" — jeden z głównych sposobów, w jakie astronomowie odkrywają czarne dziury, mimo że sama czarna dziura nie emituje żadnego światła. Te same efekty grawitacyjne zginają ścieżkę światła przechodzącego w pobliżu, co tworzy jasny pierścień widoczny na obrazach EHT, zamiast zwykłego ciemnego koła.

Często zadawane pytania