Găurile negre sunt regiuni din spațiu în care forța de atracție gravitațională este atât de puternică, încât nimic, nici chiar lumina, nu poate scăpa. Găurile negre nu sunt un spațiu gol, ci ele conțin o cantitate mare materie condensată într-un spațiu mic.
Cine a descoperit găurile negre?
Fizicianul Karl Schwarzschild a descoperit găurile negre în mod accidental, în anul 1916, când încerca să găsească o soluție specială la teoria relativității generale a lui Einstein. Savatul căuta să descopere o soluție la atracția gravitațională a unui obiect solitar și simetric, așa cum este steaua din centrul unui sistem solar. Însă acea soluție conținea o trăsătură aparte: teoria se comporta ciudat la o anumită rază, cunoscută astăzi sub denumirea de rază Schwarzschild.
Mai târziu, oamenii de știință și-au dat seama de ce această rază este atât de specială. Dacă masa unui obiect este comprimată într-un spațiu mai mic decât raza Schwarzschild, atunci atracția sa gravitațional ar depăși orice alte forțe cunoscute și nimic nu ar putea scăpa. Primii fizicieni au crezut că acest fenomen nu ar putea fi întâlnit niciodată în natură. Însă la sfârșitul anilor 1930, a devenit clar că natura ar putea permite găurilor negre să existe, atunci când fizicianul indian Subrahmanyan Chandrasekhar a constatat că, peste o anumită densitate, nicio forță nu poate copleși gravitația. Cu toate acestea, găurile negre se pot forma doar în condiții extreme.
Cum se formează găurile negre?
Stelele produc lumină și căldură datorită ”reactoarelor” din nucleelor lor, unde are loc procesul de fuziune nucleară. Acolo, doi atomi ușori fuzionează pentru a forma un atom mai greu, un proces prin care se eliberează energie. Acești atomi mai grei fuzionează din nou pentru a forma alți atomi și mai grei, astfel încât steaua continuă să producă lumină și căldură.
Așadar, atunci când stelele au masa de peste opt ori mai mare decât masa soarelui nostru, aproape de sfârșitul vieții ele fuzionează elemente din ce în ce mai grele, cum sunt siliciul și magneziul, iar spre final încep să producă fier. Formarea fierului necesită mai multă energie decât cea produsă de reacția de fuziune, astfel că, în acest moment, nimic nu mai poate contrabalansa atracția gravitațională înspre interior exercitată de însăși masa stelei. Drept urmare, steaua colapsează, iar datorită forțelor gravitaționale uriașe, nucleul stelei este comprimat dincolo de limita razei Schwarzschild, moment în care se formează o gaură neagră.
Deoarece nicio forță cunoscută nu poate opri colaspul, odată ce materia formează gaura neagră, ea continuă să se comprime până când devine o singularitate – un punct cu densitatea infinită. În jurul singularității se află orizonul evenimentelor (”event horizon”), granița sferică invizibilă care marchează intrarea în gaura neagră. Odată ce ceva trece de limita orizontului evenimentelor, acel ceva nu mai poată evada niciodată. Pentru a păsări gaura neagră, acel ceva ar trebuie să călătorască cu o viteză mai mare decât cea a luminii, ceea ce este imposibil, motiv pentru care materia este condamnată să rămână în interiorul găurii negre.
Găurile negre supermasive, care au mase de milioane de sori, se formează în decursul a sute de milioane de ani prin atragerea materiei din jurul lor și prin contopirea cu alte găuri negre.
Ce se întâmplă în interiorul unei găuri negre?
Găuri negre nu sunt spații goale; ele conțin cantități uriașe de materie comprimată într-un punct infinit de mic. Forța de atracție gravitațională a singularității atrage în mod inevitabil toată masa înspre aceasta.
Fizicienii nu știu ce se întâmplă în singularitate, deoarece mediul de acolo este atât de extrem, încât fizica teoretică este depășită.
De unde știu oamenii de știință că găurile negre sunt reale?
În ciuda lipsei de perspective în privința interiorului unei găuri negre, fizicienii știu că găurile negre există cu adevărat. Prima dovadă a venit sub forma unei surse puternice de raze X situate la aproximativ 6.000 de ani lumină depărtare de noi, aflată în sistemul Cygnus X-1.
Observațiile asupra acestui sistem au dezvăluit existența unui obiect mic, dens și întunecat – o gaură neagră – care atrage atmosfera unei stele apropiate. Astronomii nu pot vedea gaura neagră însăși, dar pe măsura ce gazele sunt atrase de aceasta, ele se încălzesc și emit energie sub formă de raze X.
Cât de mari sunt găurile negre?
Gaura neagră din sistemul Cygnus X-1 are o masă de aproximativ 20 de mase solare, ceea ce reprezintă o mărime obișnuită prin găurile negre din univers. În galaxia noastră, oamenii de știință au identificat între zece milioane și un miliard de găuri negre, potrivit NASA. Cea mai apropiată gaură neagră cunoscută este Cygnus X-1, menționată mai sus.
Însă în centrul Căii Lactee – ca și în centrul aproape tuturor galaxiilor – se află o gaură neagră supermasivă. Găurile negre supermasive sunt de milioane de ori mai masive decât soarele nostru, iar unele pot atinge mase chiar de sute de miliarde de ori mai mari. Acești giganți ating dimensiunile acestea enorme hrănindu-se cu materia din jur și contopindu-se cu alte găuri negre în decursul a sute de milioane de ani.
Cum arată o gaură neagră?
După cum le spune și numele, găurile negre sunt ”negre”, în sensul că ele nu emit deloc lumină. Însă astronomii tot de le pot detecta cu ajutorul efectelor gravitațioanale pe care le exercită față de materia din jur.
În cazul găurilor negre supermasive, astronomii le pot vedea datorită quasarilor pe care acestea îi produc. Quasarii sunt surse puternice de emisii radio. Atunci când materia cade într-o gaură neagră, ea este comprimată și încălzită. Discul de materie care înconjoară gaura neagră poate străluci mai puternic decât toată galaxia în care se află și este capabil să emită jeturi de particule superîncălzite, cu viteze apropiate de cea a luminii.
Prima imagine directă a unei găuri negre înregistrate vreodată. | Foto: EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION
O altă modalitate de a ”vedea” găurile negre este atunci când acestea fuzionează. Atunci când două găuri negre întră în coliziune, ele trimit unde în spațiu-timp denumite unde gravitaționale. Aceste unde sunt incredibil de slabe, dar instrumentele sensibile de pe Pământ sunt capabile să le detecteze. Până acum, astronomii au indentificat 50 astfel de eveninente de contopire a găurilor negre.
Singura imagine ”adevărată” a unei găuri negre a fost creată în anul 2019, atunci când astronomii au utilizat Telescopul Event Horizon – o rețea de antene distribuite pe tot globul – pentru a captura o imagine a discului de materie din jurul găurii negre denumite M87*. Având o masă de trei miliarde de ori mai mare decât cea a Soarelui și făcând parte dintr-o galaxie aflată la peste 50 de milioane de ani-lumină față de noi, M87* arăta ca o gogoașă distorsionată de culoare portocalie (gaura neagră este gaura din centrul materialului strălucitor din imaginea de mai sus).
Sursa: Live Science