Czarne dziury

W środę 29.05.2019 r. wykład pt. „Czarne dziury” przedstawił wicedyrektor Planetarium Śląskiego w Chorzowie
mgr Stefan Janta.
Na początku obejrzeliśmy krótki, żartobliwy film o czarnej dziurze. Pewnemu panu udało się skserować na białej kartce czarną dziurę. Za jej pomocą wyciągnął słodycze z zamkniętej szafki, a następnie pieniądze z bankomatu.
Mimo tak obiecującego początku czarna dziura pochłonęła wkrótce szczęśliwca.
Następnie wykładowca podał kilka przykładów prędkości ucieczki (druga prędkość kosmiczna – minimalna prędkość początkowa, jaką musi mieć obiekt, aby mógł opuścić pole grawitacyjne danego ciała niebieskiego). Dla Ziemi wynosi ona 11,2 km/s, dla Księżyca 2,4 km/s a dla Słońca  ok 617 km/s.
Co to jest światło?
Potocznie nazywa się tak widzialną część promieniowania elektromagnetycznego. Obejrzeliśmy kilka laserów: czerwony, zielony i niebieski. Najmocniejszy jest laser niebieski. Przy mocy 200mW, w ciągu kilku sekund wypalił dziurę w kilku stronach gazety. Dlatego ze względu na zasięg (niebezpieczeństwo dla ruchu lotniczego) ich sprzedaż w trybie normalnym jest zakazana.
Prędkość światła w próżni to ok 299792 km/s. Pierwszy (bez powodzenia) próbował zmierzyć prędkość światła Galileusz.
Kierownik laboratorium astronomicznego w Paryżu Giovanni Cassini (1625-1712)  zatrudnił duńskiego astronoma Ole Romera (1644-1710). Wyliczyli oni na podstawie obserwacji 4 księżyców Jowisza prędkość światła na ok. 200.000 km/s.
W 1783 r. John Mitchell rozważał istnienie tak masywnych obiektów, iż nawet światło nie może z nich uciec.
W 1796 r. Pierre de Laplace propagował tę samą ideę w swojej książce.
W 1905 r. po opublikowaniu szczególnej teorii względności Albert Einstein zaczął rozważać wpływ grawitacji na światło. W 1915 r. sformułował ogólną teorię względności.
W 1931r. Chandrasekhar na przykładzie białego karła pokazał, że powyżej pewnej granicznej masy nic nie jest w stanie powstrzymać kolapsu gwiazdy.
W 1939 r. Robert Oppenheimer potwierdza kolaps grawitacyjny. Taki obiekt nazwano „zamrożoną gwiazdą”, ponieważ dla dalekiego obserwatora kolaps będzie zwalniał.
W 1969 r. John Wheeler zaproponował nazwę „czarna dziura”.
Grawitacja jest opisywana jako zakrzywienie czasoprzestrzeni. Ciała poruszają się po torach, które są liniami
o ekstremalnej długości. Linie takie nazywamy geodezyjnymi. W skrajnych przypadkach oddziaływanie grawitacji może być tak duże, że wszystkie linie geodezyjne wokół danego ciała są liniami zamkniętymi. Żadna z nich nie wychodzi poza pewien ograniczony fragment przestrzeni zwany horyzontem zdarzeń. Z czarnej dziury nie można się wydostać,
bo wszystkie drogi ucieczki prowadzą z powrotem do środka. Czarne dziury o masie gwiazdowej formują się w wyniku zapadania grawitacyjnego bardzo masywnych gwiazd pod koniec ich życia. Po uformowaniu się, czarna dziura może kontynuować powiększanie swych rozmiarów absorbując masę z otoczenia. W centrum Drogi Mlecznej istnieje czarna dziura o masie ok.    4 mln mas Słońca.
Wiele czarnych dziur o masie gwiazdowej udało się zidentyfikować w systemach podwójnych.
Gwiazda która ma masę 8 razy większą od Słońca może wyprodukować wszystkie pierwiastki.
Słońce ma w jądrze temperaturę ok. 14 mln stopni, a na powierzchni ok. 6000 stopni C (życie ok. 10 mld lat). Olbrzymie gwiazdy mają temperaturę w jądrze do 50 mld stopni ale żyją krótko bo ok. 500mln lat.
Jeżeli w jądrze masywnej gwiazdy przestały zachodzić reakcje termojądrowe to zmniejszanie ciśnienia promieniowania powoduje zapadanie się gwiazdy pod własnym ciężarem, bądź biały karzeł tak długo pobierał masę z sąsiedniej gwiazdy, aż przekroczył masę Chandrasekhara, co spowodowało eksplozję termojądrową, następuje eksplozja supernowej. W naszej galaktyce supernowa wybucha raz na 300 lat.
Eksplozje supernowych są głównym mechanizmem rozprzestrzeniania się w kosmosie wszystkich pierwiastków cięższych niż tlen, oraz jedynym źródłem pierwiastków cięższych od żelaza.
Gdyby Ziemia miała być czarną dziurą to zgodnie z równaniem, promień Schwarcschilda wynosi ok.9mm (średnica Ziemi 18mm)
r schw = 2GM/c2
gdzie G = 6,67 X 10(do minus 11) [Nm2/kg2] – stała grawitacyjna
c – prędkość światła w próżni
M – masa obiektu
Gdyby Słońce miało być czarną dziurą to jego średnica wynosiłaby ok. 1km.
10 kwietnia 2019 r. przedstawiono pierwsze w historii zdjęcie ukazujące cień czarnej dziury
w centrum galaktyki M87. Obraz uzyskano dzięki projektowi EHT (Teleskop Horyzontu Zdarzeń). To zdjęcie było tworzone przez wiele miesięcy. Czarna dziura ma rozmiar 10.000 razy mniejszy niż czerwony obszar na zdjęciu.
Edwin Hubble jako pierwszy stwierdził, że częstotliwości światła emitowane przez odległe galaktyki są przesunięte
ku niższym wartościom (światło jest bardziej czerwone) niż światła
wyemitowanego przez źródło  spoczywające. Te obserwacje dowodzą, że przestrzeń rozszerza się.
W 2011 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali Saul Perlmutter, Brian Schmidt i Adam Riess. Udowodnili oni ,
że – o ile nasz opis Wszechświata jest poprawny – Wszechświat rozszerza się coraz szybciej.
Wykład był bardzo ciekawy i naprawdę bardzo mnie zainteresował (choć muszę przyznać, że skala tematu bardzo mnie przerasta).
Sądzę, że słuchacze UTW w Świętochłowicach z zainteresowaniem i przyjemnością wysłuchają kolejnego wykładu pana mgr Stefana Planty w następnym semestrze.
Opracował: Henryk Duda