Categories
Stiinta

Găurile negre: de la devoratoare de stele la creatoare de galaxii


Găurile negre sunt stele masive în ultimul stadiu al vieții lor. Dacă o stea are cel puțin 10 mase solare atunci va avea un final exploziv, supernova, prin care va expulza o mare parte din materia sa în spațiul înconjurător. Apoi, sub acțiunea gravitației, aceasta se va comprima într-un spațiu extrem de mic rezultând un corp cosmic cu densitate infinită care este gata să înghită planete, gaz interstelar și chiar alte stele.

Găurile negre au asemenea gravitație încât, dacă treci de orizontul evenimentului, limita dincolo de care nimic nu se mai poate întoare, atunci nici măcar lumina nu poate scăpa. Teoretic, dacă ai comprima orice obiect suficient de mult ai obține o gaură neagră. Pâmântul ar trebui comprimat într-un volum cât o cireașă pentru a deveni gaură neagră iar Soarele într-o sferă de 1-2 km. Totul depinde de raza Schwartzschild a fiecărui obiect cosmic, rază ce depinde strict de masa acelui obiect.

Nu trebuie să te sperii, găurile negre nu sug materia din jur. Ele nu acționează ca un aspirator, ci mai degrabă ca o simplă gaură în asfalt. Așteaptă ca cineva să nimerească în acea zonă. Dacă am face o gaură neagră din planeta noastră influența gravitațională ar fi aceeași, adică am putea gravita la distanța de 6700 de km de centrul ei, cam pe unde se învârte Stația Spațială Internațională, și vom fi feriți de pericol.

De mult timp se știe că găurile negre super-masive sunt în centrul galaxiilor și ele mențin acele galaxii într-un tot unitar. Asemenea găuri negre super-masive pot ajunge și la 17 miliarde de mase solare și pot avea diametre de 11 ori mai mari decât orbita planetei Neptun. Un asemenea exemplu este NGC 1277, o gaură neagră ce conține 14% din masa totală a micii galaxii în care este localizată.

Anumite găuri negre sunt atât de luminoase încât strălucesc mult mai tare decât întreaga galaxie în care există. Acestea sunt numite farurile universului sau quasari. Un asemenea exemplu este 3C 273 care este de 4 mii de miliarde de ori mai strălucitor decât Soarele și are o magnitudine de -26.7. Ce înseamnă asemenea strălucire? Dacă pui quasarul 3C 273 la o distanță de 33 de ani lumină de noi, atunci va lumina la fel de tare ca Soarele, care este la numai 0.0015% distanță dintr-un an lumină. Disntața de 150 de milioane de kilometri ar fi o distanță de 21 miliarde de ori mai mică decât acei 33 de ani-lumină.

Ce face ca acei quasari să fie așa de luminoși? Cum pot fi găurile negre luminoase? Ei bine, atunci când materia cade înspre gaura neagră aceasta orbitează întâi în jurul găurii negre. În timp ce orbitează la viteze mari au loc frecări între moleculele diferitelor elemente și se emite energie sub formă de lumină sau căldură. De obicei materia se va organiza în jurul găurii negre sub forma unui disc de acreție, zonă situată chiar la ecuatorul găurii negre. Acel disc de acreție se formeză pentru că inclusiv gaura neagră se rotește în jurul axei sale, uneori de mii de ori pe secundă.

În plus, datorită vitezelor extreme la care orbitează materia în timp ce cade spre gaura neagră, energiile mari generate dau naștere și unor jeturi de materie încărcată cu energie. Acele jeturi de materie pot fi văzute și în primul film din acest articol.

Lucru interesant: găurile negre nu numai că accelerează materia la viteze enorme și emite, astfel, jeturi încărcate energetic, dar este posibil să genereze și radiație Hawking. Radiația Hawking este un termen inventat de fizicianul englez Stephen Hawking în 1974 prin care explică faptul că găurile negre pot pierde energie de-a lungul a multor ani de zile. Cam câți ani? Cam 10^71 M^3 secunde ori cel puțin 3^64 ani sau 3^55 de miliarde de ani, M fiind număruld e mase solare.

Radiația Hawking este explicată mai jos: este vorba de faptul că vidul nu este un loc unde energia este zero. Vidul cosmic este definit ca locul unde energia este minimă. La nivel cuantic apar perechi de particule-antiparticule care dispar instantaneu. Acestea sunt numite particule virtuale.

Hawking a lansat ipoteza că, dacă aceste particule apar în zona orizontului evenimentului și una din cele două cade în gaura neagră, atunci cealaltă este liberă să zburde în Univers. Se va considera, așadar, că particula ce a căzut în gaura neagră are energie negativă și, după suficient de mulți ani, acea energie negativă acumulată va duce la distrugerea găurii negre. După cum ai văzut, dacă o asemenea ipoteză este reală, atunci găurile negre ar putea avea o viață de cel puțin 3^55 de miliarde de ani.

Așa cum fiecare galaxie are o gaură neagră super-masivă în centrul ei, chiar și Calea Lactee are un așa centru: Sagittarius A*.

Așadar, găurile negre nu numai că înghit materie, ele țin și galaxiile în picioare. În plus, ele luminează ca un far, cazul quasarilor, și chiar pot ajuta la crearea de stele noi. Cum așa? Încă de prin 2005 se știa faptul că quasarul HE0450-2958 (wikipedia) creează jeturi de materie foarte puternice materie care este propulsată către o galaxie învecinată. Ajuns acolo jetul de materie încărcată energetic determină gazul interstelar să formeze centre de gravitație și duce apoi la concentrarea a cât mai multor asemenea nori de gaz interstelar într-o zonă suficient de mică.

Odată ce avem suficient de mult gaz interstelar la un loc gravitația preia controlul și o stea nouă este pe cale a fi creată. În acest fel gaura neagră HE0450-2958, numit și “quasarul gol” pentru că nu are nicio o galaxie în jur, înghite materie într-o parte pentru a crea o stea în altă parte.

Casey Kazan, de la Daily Galaxy, raporta în 2009 că HE0450-2958, deși nu are stele în jurul său, se află la 22 000 de ani-lumină de galaxia către care trimite jetul de materie. Acel jet ajută la crearea a 350 de noi stele pe an, o viteză de creare a stelelor nemaiîntâlnită în alte galaxii. La un moment dat quasarul HE0450-2958 se va întâlni cu galaxia vecină și va fi înconjurat de stelele la a căror creare a ajutat cu jetul său de materie.

David Merritt et al au analizat acest quasar de aproape în 2005 și au ajuns la concluzia, în lucrarea intitulată The nature of the HE0450-2958 System ( DOI: 10.1111/j.1365-2966.2006.10093.x | PDF ) că nu se poate stabili exact că acest quasar este gol, dar se știe sigur că nu provine din galaxia companion către care aruncă jetul de materie. et al, înseamnă “și colegii”.

Prin 2012 R. Mark Crockett et al confirmau ipoteza găurilor negre drept creatori de stele detectând un comportament similar la Centaurus A și au publicat rezultatele în studiul intitulat Triggered star-formation in the inner filament of Centaurus A ( arXiv:1201.3369 | PDF).

Ca o nouă dovadă a faptului că găurile negre ajută la formarea stelelor noi, Nicole Gugliucci, de la Discovery, ne informa că Sagittarius A*, gaura neagră super-masivă din centrul galaxiei noastre, ajută la formarea de stele noi în zona sa prin emiterea razelor X și a unui jet de SiO către norii de gaz din zonă. F. Yusef-Zadeh et al ne informează în studiul ALMA Observations of the Galactic Center: SiO Outflows and High Mass Star Formation near Sgr A* despre faptul că ALMA și VLT, telescoape ale ESO, au ajutat la elucidarea misterului apariției unor stele noi în zona Saittarius A* (Sgr A*). Studiul poate fi găsit la arXiv:1303.3403 (PDF).

Așadar, Universul ne arată, încă o dată, că știm prea puține despre el.

Bonus: încă trei lucruri interesante legate de găurile negre

#1 Există un loc în jurul găurii negre numit sfera fotonică. În acea zonă lumina orbitează gaura neagră la viteza luminii. Mai jos de acea zonă este orizontul evenimentului dincolo de care nimic nu poate scăpa.

#2 Efectul Casimir și găurile negre.

În 2011 cercetătorii Astrid Lambrecht și Serge Reynaud au confirmat efectul Casimir, efect prin care se poate demonstra exitența particulelor virtuale. În cadrul experimentului original se folosesc două plăci plasate foarte aproape una de alta. În cele două plăci pot apare doar anumite tipuri de particule virtuale. Dacă mișcăm repede (cu cel puțin 5% din viteza luminii) una dintre plăci, atunci particulele virtuale nu mai intră în contact pentru a se anula reciproc și unele devin particule reale.

#3. Dacă nici lumina nu poate evada dintr-o gaură neagră, atunci cum de gravițația poate evada?

Ei bine gravitația nu evadează, deși se spune că radiază și că este purtată de către particule numite gravitoni. Gravitația este o deformare a spațiu-timpului datorată prezenței masei într-un anumit loc.

Detalii și explicații afli de la AskAMathematician.com.

UPDATE: Găurile negre ar putea fi, de fapt, Bose Einstein Condensates, la care lungimea de undă este egală cu raza Schwartzschield. Studiul poate fi citit aici și este numit Black holes as self-sustained quantum states, and Hawking radiation. La crearea studiului a participat și cercetătorul român Octavian Micu, de la Institute of Space Science, din București:
Roberto Casadioab∗, Andrea Giugnoab†, Octavian Micuc‡, and Alessio Orlandiab§

Octavian Micu mi-a explicat cum este posibil ca o gaură neagră să fie un BEC, Bose-Einstein Condensate, adică materie, care răcită la 0 K are aspect de undă și, asemenei unei unde, se poate suprapune materie peste materie în același loc. Acel loc sau zonă va avea o lungime de undă ce este egală cu raza Schwatzschield după care definești orizontul de așteptare al unei găuri negre. Funcția de undă Compton-de Broglie ne vorbește de lungimea de undă a unui asemenea BEC și este:
lambda = h / m * c.

Despre Bose-Einstein condensate poți afla aici: