Z czego składa się czarna dziura? To tu załamuje się znana nam fizyka

Czarna dziura to obszar czasoprzestrzeni, z którego nic, nawet światło, nie może się wydostać. Jest to spowodowane przez ogromną siłę grawitacji, która powstaje, gdy duża ilość materii zostaje skompresowana do bardzo małej objętości. Zgodnie z ogólną teorią względności, takie zjawisko może się zdarzyć, gdy bardzo masywna gwiazda kończy swój żywot i zapada się pod własnym ciężarem.

W efekcie powstaje czarna dziura, która pochłania wszystko, co znajdzie się w jej zasięgu. Przyciąganie jej grawitacji jest mordercze.

Więcej ciekawych informacji o czarnych dziurach znajdziesz na Spider`s Web:

Czarna dziura jest otoczona przez horyzont zdarzeń, czyli granicę bez powrotu. To matematycznie zdefiniowany obszar, otaczający centralny obiekt czarnej dziury, czyli osobliwość. Horyzont zdarzeń nie jest powierzchnią czarnej dziury, ale otaczającym ją rejonem, w którym grawitacja jest tak silna, że wszystko, co się tam znajdzie musi już wpaść do czarnej dziury.

Horyzont zdarzeń jest więc jak jednokierunkowa brama, która zamyka się za nami, gdy ją przekroczymy. Nie możemy zobaczyć, co się dzieje za nią, ani wysłać z tego obszaru żadnego sygnału. Nie wiemy, co się dzieje z materią i energią, które tam wpadają. 

Horyzont zdarzeń ma kształt sferyczny lub lekko spłaszczony, jeśli czarna dziura się obraca. Jego promień zależy od masy czarnej dziury i nazywa się go promieniem Schwarzschilda. Im większa masa czarnej dziury, tym większy jest jej horyzont zdarzeń. Na przykład czarna dziura o masie Słońca miałaby horyzont zdarzeń o promieniu około 3 km, a czarna dziura o masie Ziemi - o promieniu około 9 mm.

To oczywiście liczby dla amatorów. Prawdziwe potwory mają horyzont zdarzeń o gigantycznych rozmiarach. Do takich behemotów zalicza się supermasywna dziura w centrum Drogi Mlecznej. Promień horyzontu zdarzeń Sagittarius A* według różnych źródeł, wynosi nawet 12,7 mln km. To oznacza, że horyzont zdarzeń Sagittarius A* jest od 15 do 33 razy większy niż odległość między Ziemią a Księżycem, i od 18 do 36 razy większy niż promień Słońca.

Horyzont zdarzeń to bardzo ciekawe miejsce. Im bliżej horyzontu zdarzeń, tym większe jest zakrzywienie czasoprzestrzeni i tym wolniej płynie czas. Co to oznacza w praktyce? Jeśli oglądalibyśmy rakietę, która wlatuje do czarnej dziury, to jej obraz zatrzymałby się na granicy horyzontu zdarzeń. Choć sama rakieta przestałaby istnieć, to wciąż moglibyśmy ją widzieć, ale zastygłą w ostatniej chwili przed przekroczeniem horyzontu zdarzeń. Jej obraz przechodziłby w podczerwień i ostatecznie znikłby.

Jeśli czarna dziura się obraca (a wszystko wskazuje na to, że większość z nich się obraca), to wokół niej istnieje jeszcze inny obszar, nazywany ergoobszarem lub ergosferą. Jest to strefa, w której nie można stać w miejscu, ale trzeba się poruszać.

Ergoobszar ma kształt pierścienia i jest szerszy niż horyzont zdarzeń. W jego wnętrzu znajduje się horyzont zdarzeń, a na zewnątrz - normalna przestrzeń. Im szybszy obrót czarnej dziury wokół własnej osi, tym dalej znajduje się ergoobszar od horyzontu zdarzeń. 

W ergosferze czas i przestrzeń są skręcone w taki sposób, że nie ma statycznych trajektorii - obiekt lub światło poruszające się w ergosferze muszą obracać się razem z czarną dziurą. Natomiast powierzchnia ergosfery nie jest półprzepuszczalna (jak horyzont zdarzeń) i obiekt, który znalazł się w tym obszarze może przedostać się z powrotem na zewnątrz.

Co się dzieje, gdy coś wpada do czarnej dziury? To zależy od tego, jak duże jest to coś i jak szybko się porusza. Jeśli jest to mały obiekt, np. cząstka, to może ona przejść przez horyzont zdarzeń bez większych problemów. Jeśli jest to duży obiekt, np. gwiazda, to będzie ona poddawana ogromnym siłom pływowym, które będą ją rozciągać i ściskać. W końcu obiekt zostanie rozerwany na mniejsze kawałki, które będą spadać do środka czarnej dziury. Tam czeka na nie osobliwość, czyli punkt o nieskończonej gęstości i zerowej objętości, w którym załamują się znane nam prawa fizyki.

Osobliwość to punkt lub linia, gdzie gęstość materii i przyspieszenie grawitacyjne są nieskończone. Oznacza to, że w osobliwości nie obowiązują znane nam prawa fizyki. Nie wiemy, co się tam dzieje, ani jak opisać jej strukturę i właściwości. Osobliwość jest jak czarna skrzynka, do której nie mamy dostępu.

Osobliwości mogą powstawać na różne sposoby. Jednym z nich jest zapadanie się grawitacyjne bardzo masywnych gwiazd pod koniec ich życia. Gdy gwiazda wypala swoje paliwo jądrowe, traci równowagę między ciśnieniem promieniowania a siłą grawitacji. Jej metalowe jądro zapada się pod własnym ciężarem, tworząc bardzo gęsty twór. To właśnie osobliwość. Wokół niej powstaje obszar czasoprzestrzeni, który jest tak silnie zakrzywiony, że nic nie może się z niego wyrwać. To horyzont zdarzeń, granica czarnej dziury.

Czy można zobaczyć czarną dziurę? Nie bezpośrednio, ponieważ nie emituje ona żadnego światła. Jednak można ją zaobserwować pośrednio, na podstawie jej wpływu na otoczenie. Na przykład, jeśli czarna dziura znajduje się blisko innej gwiazdy, to może ona zacząć pożerać jej materię, tworząc wokół siebie tzw. dysk akrecyjny. Dysk ten jest bardzo gorący i świeci intensywnie w różnych zakresach promieniowania. Ponadto czarna dziura może zakrzywiać światło pochodzące z innych obiektów, tworząc efekt soczewkowania grawitacyjnego. W ten sposób można zobaczyć zniekształcone obrazy gwiazd lub galaktyk znajdujących się za czarną dziurą.

Czarna dziura to więc niezwykły twór natury, który wciąż skrywa wiele tajemnic. Naukowcy próbują je odkrywać, korzystając z różnych metod i technologii. W 2019 r. udało się po raz pierwszy sfotografować cień czarnej dziury, znajdującej się w centrum galaktyki M87. Ten historyczny sukces pokazał, że czarne dziury nie są tylko teoretycznymi konstrukcjami, ale realnymi obiektami, które można badać i poznawać.