Czarna dziura to obszar przestrzeni, gdzie grawitacja jest tak silna, że nic, nawet światło, nie może uciec, gdy przejdzie przez horyzont zdarzeń. Większość powstaje, gdy masywna gwiazda wyczerpuje paliwo jądrowe i jej rdzeń się zapada; supermassywne wersje rosną w centrach galaktyk przez miliardy lat. Bezpośrednie obrazy i detekcje fal grawitacyjnych potwierdziły ich istnienie i przetestowały ogólną teorię względności Einsteina.
Ta wersja jest tłumaczeniem maszynowym oryginału (English). Przeczytaj oryginał
Czarna dziura jest definiowana przez NASA jako obszar przestrzeni, gdzie grawitacja jest wystarczająco silna, że nic, łącznie ze światłem, nie może uciec, gdy przejdzie granicę zwaną horyzontem zdarzeń. Ponieważ żadne światło nie ucieka, same czarne dziury nie mogą być widoczne bezpośrednio; ich obecność jest wnioskowana z ich efektów grawitacyjnych na pobliską materię i, od 2019 roku, z bezpośrednich obrazów świecącego materiału wokół nich.
Jak powstaje czarna dziura
Zgodnie z NASA, gwiazda generuje energię przez syntezę jądrową w swoim jądrze, a zewnętrzne ciśnienie tej energii równoważy wewnętrzne ciągnięcie własnej grawitacji gwiazdy. Gdy gwiazda o masie ponad 20 razy większej od Słońca wyczerpie paliwo jądrowe, ta równowaga się załamuje. Rdzeń zapada się pod własnym ciężarem, powodując wybuch supernowej, który wyrzuca zewnętrzne warstwy gwiazdy. Jeśli pozostały rdzeń przekracza około trzy masy słoneczne, NASA stwierdza, że dalej się zapada w czarną dziurę o masie gwiezdnej.
Nie każda zapadzająca się gwiazda tworzy czarną dziurę. Rdzeń poniżej około trzech mas słonecznych zwykle zamiast tego staje się gwiazdą neutronową, zgodnie z opisem ewolucji gwiazd NASA. Gdy czarna dziura już istnieje, może rosnąć dalej, przyciągając gaz, pył i nawet inne gwiazdy lub czarne dziury, które zbyt blisko się zbliżą.
Trzy główne typy
NASA dzieli czarne dziury na trzy szerokie kategorie według masy. Czarne dziury gwiezdne, w zasięgu od około trzech do kilkudziesięciu mas słonecznych, są rozproszone w całej Drodze Mlecznej i powstają z zapadających się masywnych gwiazd. Czarne dziury pośrednie, o masie około 100 do ponad 10 000 mas słonecznych, są rzadsze i trudniejsze do potwierdzenia; NASA przytacza jeden z najbardziej przekonywających przykładów zidentyfikowanych w 2019 roku. Supermassywne czarne dziury, zawierające od 100 000 do miliardów mas słonecznych, znajdują się w centrach większości dużych galaktyk, w tym Drogi Mlecznej.
Typy czarnych dziur według masy (NASA)
Typ
Typowa masa
Lokalizacja
Gwiezdna
3 do kilkudziesięciu mas słonecznych
Całą Drogą Mleczną
Pośrednia
100 do 10 000+ mas słonecznych
Rzadko; potwierdzonych przykładów ograniczone
Supermassywna
100 000 do miliardów mas słonecznych
Centra dużych galaktyk
Widząc niewidoczne: obrazy bezpośrednie
Ponieważ światło nie może ulec czarnej dziury, astronomowie nie mogą sfotografować samego obiektu. Zamiast tego Teleskop Event Horizon (EHT) — globalna sieć radioteleskopów działających jako jeden instrument wielkości Ziemi, zgodnie z Narodową Fundacją Nauki USA (NSF) — fotografuje świecący gaz, który wiruje wokół czarnej dziury tuż poza jej horyzontem zdarzeń. 10 kwietnia 2019 roku Kolaboracja EHT opublikowała pierwszy taki obraz supermassywnej czarnej dziury w centrum galaktyki M87, położonej około 55 milionów lat świetlnych od Ziemi i mierzonej na około 6,5 miliarda mas słonecznych, zgodnie z podsumowaniem NSF.
12 maja 2022 roku Kolaboracja EHT opublikowała drugi obraz, tym razem Strzelca A*, supermassywnej czarnej dziury w centrum naszej własnej Drogi Mlecznej. NSF opisuje to jako pierwszy bezpośredni dowód wizualny tego obiektu, o masie, którą NSF określa jako około 4 miliony razy większej od masy Słońca. Streszczenie wyników na cosmoquest.org podobnie określa jego masę na około cztery miliony mas słonecznych i jego odległość na około 27 000 lat świetlnych od Ziemi. Oba obrazy pokazują tę samą sygnaturę: ciemny środkowy cień otoczony jaśniejszym, soczewkowatym światłem z przegrzanego orbitującego gazu.
Fale w czasoprzestrzeni: fale grawitacyjne
Odrębny dowód pochodzi z fal grawitacyjnych — fale w czasoprzestrzeni przewidywane przez ogólną teorię względności Albertego Einsteina w 1915 roku. 14 września 2015 roku bliźniacze detektory Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) w Hanford, Waszyngton i Livingston, Luizjana, zarejestrowały sygnał oznaczony GW150914, zgodnie z podsumowaniem nauki LIGO. Sygnał pochodził ze złączenia dwóch czarnych dziur o masach około 36 i 29 mas słonecznych, które połączyły się w pojedynczą czarną dziurę o około 62 masach słonecznych. Trzy brakujące masy słoneczne zostały wypromieniowane jako energia fal grawitacyjnych, stwierdza LIGO, z wydarzenia oddalonego o ponad miliard lat świetlnych.
LIGO informuje, że detekcja osiągnęła istotność statystyczną ponad pięć sigma, co oznacza, że fałszywy alarm o takiej sile byłby spodziewany tylko raz na około 200 000 lat porównywalnych danych. Obserwowana forma fali zgodna z przewidywaniami ogólnej teorii względności, dając fizykom nowy sposób badania czarnych dziur, które nie opierają się wcale na światle.
Co czarne dziury ujawniają o wszechświecie
Opis NASA anatomii czarnej dziury identyfikuje trzy kluczowe strefy: horyzont zdarzeń, punkt bez powrotu, gdzie prędkość ucieczki przekracza prędkość światła; dysk akrecyjny, spirującą materię, której promieniowanie pozwala astronomom wykrywać inaczej niewidoczne czarne dziury; i osobliwość w jądrze, gdzie materia jest ściśnięta do ekstremalnej gęstości i obecna fizyka, łącznie z ogólną teorią względności, ma się spodziewać upadku. NASA zauważa, że to jest miejsce, gdzie efekty kwantowe uważa się za ważne, oznaczające, że czarne dziury stanowią granicę, gdzie względność i mechanika kwantowa muszą się ostatecznie spotkać.
Ponieważ zginają światło, wyginają czas i zakotwiczają strukturę galaktyk, czarne dziury funkcjonują jako naturalne laboratoria. Obserwacje z bezpośredniego obrazowania i z detektorów fal grawitacyjnych dają naukowcom dwa niezależne sposoby na sprawdzenie, czy grawitacja zachowuje się tak, jak przewiduje teoria Einsteina w najbardziej ekstremalnych warunkach znanych wszechświecie.
LIGO oszacowała, że szczytowa moc fal grawitacyjnych wypromieniowana w ostatnich chwilach złączenia czarnych dziur była ponad dziesięć razy większa niż połączona moc światła wszystkich gwiazd i galaktyk w obserwowalnym wszechświecie.
— Podsumowanie nauki LIGO, GW150914
Pytania
Jaka jest minimalna masa potrzebna do powstania czarnej dziury?
NASA stwierdza, że zapadający się rdzeń gwiezdny musi przekroczyć około trzy masy słoneczne, aby stać się czarną dziurą; poniżej tego progu zwykle zamiast tego tworzą się gwiazdy neutronowe.
Czy kiedykolwiek sfotografowano czarną dziurę?
Nie bezpośrednio, ponieważ światło nie może z niej ulec. Teleskop Event Horizon sfotografował świecący gaz wokół dwóch supermassywnych czarnych dziur: M87* w 2019 roku i Strzelca A* w 2022 roku, zgodnie z NSF.
Jak daleko jest czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej?
Strzelec A* znajduje się około 27 000 lat świetlnych od Ziemi i ma masę około 4 milionów Słońc, na podstawie liczb zgłoszonych po obrazie EHT z 2022 roku.
Jak fale grawitacyjne pomagają naukowcom badać czarne dziury?
Łączące się czarne dziury wytwarzają fale w czasoprzestrzeni, które detektory takie jak LIGO mogą zarejestrować, mimo że światło nie jest zaangażowane; pierwsza detekcja LIGO, GW150914 we wrześniu 2015 roku, potwierdziła złączenie dwóch czarnych dziur położonych ponad miliard lat świetlnych od siebie.
Jaka jest różnica między czarnymi dziurami o masie gwiezdnej a supermassywnymi czarnymi dziurami?
Według NASA czarne dziury o masie gwiezdnej powstają z pojedynczych zapadających się gwiazd i ważą kilka do kilkudziesięciu mas słonecznych, podczas gdy supermassywne czarne dziury znajdują się w centrach galaktyk i wahają się od 100 000 do miliardów mas słonecznych.
Ten tekst przygotowała sztuczna inteligencja, a przed publikacją przeszedł automatyczną kontrolę źródeł. Jeśli widzisz błąd, poproś o sprostowanie. Poproś o sprostowanie lub odpowiedź · Jak to robimy
Początkujący mogą zacząć obserwować nocne niebo bez żadnego sprzętu: pozwól swoim oczom dostosować się do ciemności przez co najmniej 15-20 minut, naucz się rozróżniać planety od gwiazd po ich stałym (nie migającym) świetle i użyj mapy gwiazd lub aplikacji przed zakupem jakiegokolwiek sprzętu. Lornetka, a nie teleskop, jest zalecanym pierwszym ulepszeniem, zgodnie z NASA i EarthSky.
Teleskopy radiowe zbierają niezwykle słabe fale radiowe za pomocą dużych anten parabolicznych lub sieci anten, a następnie wzmacniają i łączą sygnały — czasami łącząc instrumenty na całych kontynentach z synchronizacją zegarów atomowych — aby ujawnić szczegóły niewidoczne dla zwykłych teleskopów. Takie podejście doprowadziło do uzyskania pierwszego zdjęcia czarnej dziury, odkrycia ponad tysiąca pulsarów za pomocą jednej anteny i zarejestrowania setek szybkich wybuchów radiowych.
Gwiazdy formują się, gdy grawitacja załamuje zimne chmury gazu i pyłu, aż trzon osiągnie około 10 milionów Kelwinów, wystarczająco gorące, aby zapalić fuzję wodoru. Od tego momentu masa gwiazdy determinuje wszystko inne: jak długo świeci, jak umiera i czy pozostawia po sobie białego karła, gwiazdę neutronową czy czarną dziurę.
Rakiety poruszają się poprzez wyrzucanie spalin w jednym kierunku, dzięki czemu pojazd jest wepchnięty w kierunku przeciwnym, zgodnie z trzecim prawem ruchu Newtona. Siła ciągu zależy od tego, ile masy spalin wypływa na sekundę i jak szybko opuszcza dyszę, podczas gdy pozostanie na orbicie zależy od zrównoważenia prędkości w przód z przyciąganiem grawitacyjnym. Projekty wieloetapowe i w przypadku niektórych misji napęd elektryczny są używane do zarządzania ogromną ilością paliwa wymaganego do lotu kosmicznego.
