Crne rupe - stvarnost dalja od vremena

Da li je komplikovano shvatiti šta je crna rupa?

Uobičajena definicija crne rupe je da je to objekat koji tako jako zakrivljuje prostor-vremenski kontinuum da čak ni svetlo ne može da pobegne sa površine tog objekta. Sa stanovišta klasične opšte teorije relativnosti, izolovana crna rupa predstavlja vrlo stabilan objekat. Fizičari će vam reći da je metrika prostor-vremena , u prisustvu crne rupe, u opštem slučaju data matematičkim rešenjem Ker-Njumana gde figurišu tri veličine: masa crne rupe M, ugaoni momenat i naelektrisanje Q. Ova metrika opisuje večnu, rotirajuću crnu rupu koja ne menja svoje parametre sa vremenom. Međutim, u realnoj situaciji, ovi parametri se mogu menjati, i to ne na proizvoljan način, već po tačno određenim zakonima!

Kako je crna rupa postala baš... crna rupa?

Evo i originalne zabeleške koja pokazuje kako su crne rupe dobile ime – slavni fizičar Džon Viler je ovako opisao tu istoriju imena najmisterioznijeg objekta u Svemiru:

Veliki američki fizičar Džon Viler na jednom od svojih predavanja

In the fall of 1967, [I was invited] to a conference ... on pulsars. ... In my talk, I argued that we should consider the possibility that the center of a pulsar is a gravitationally completely collapsed object. I remarked that one couldn't keep saying 'gravitationally completely collapsed object' over and over. One needed a shorter descriptive phrase. 'How about black hole?' asked someone in the audience. I had been searching for the right term for months, mulling it over in bed, in the bathtub, in my car, whenever I had quiet moments. Suddenly this name seemed exactly right. When I gave a more formal Sigma Xi-Phi Beta Kappa lecture ... on December 29, 1967, I used the term, and then included it in the written version of the lecture published in the spring of 1968. (As it turned out, a pulsar is powered by 'merely' a neutron star, not a black hole.)

[Although John Wheeler is often identified as coining the term 'black hole', he in fact merely popularized the expression. In his own words, this is his explanation of the true origin: a suggestion from an unidentified person in a conference audience.]

Veza Ajnštajna i crnih rupa?

Ajnštajnove jednačine gravitacionog polja su nelinearne i zbog toga se ne mogu rešiti u opštem obliku. Zbog toga se ne može koristiti ideja superpozicije, osim u slučaju slabih gravitacionih polja. Jedna od posledica je da se gravitaciono polje više objekata ne može dobiti kao zbir polja podsistema, što znatno otežava njihovo rešavanje. Zato je nalaženje tačnih rešenja relativističkih jednačina veoma teško. Ovaj zadatak je rešen, međutim, za neke interesantne fizičke situacije. Naime, u slučaju statičkog, sferno-simetričnog gravitacionog polja koje formira mirujuće sferno-simetrično telo rešenje se nalazi bez većih teškoća. Koristeći Ajnštajnove jednačine moguće je za poznatu fizičku situaciju (poznati raspored masa, tenzor energije-impulsa) odrediti metrički tenzor i time formulisati dinamiku.

Prvi koji dobio tačno rešenje jednačina gravitacionog polja i izraza za kvadrat linijskog elementa za navedene uslove bio je matematiučar Karl Švarcšild (Schwarzschild). On je pretpostavio da na dovoljno velikim udaljenostima od ove mase prostor-vreme prelazi u prostor Minkovskog (ravan prostor). Rešenje samo po sebi ima ogroman značaj zato što se pomoću njega može opisati gravitaciono polje Sunca i izvesti jednačine za tri klasična eksperimenta kojima se pokazuje razlika u predviđanjima klasične gravitacije i opšte terorije relativnosti.

Da bi se dobio izraz za kvadrat linijskog elementa potrebno je posmatrati sfernu, nerotirajuću i nenaelektrisanu masu sa sferno-simetričnom distribucijom mase u njoj. Uslov stacionarnosti i statičnosti označava da u koordinatnom sistemu komponenta ne zavisi od vremena. Sferna simetrija gravitacionog polja ukazuje da metrika prostor-vremena treba da bude ista u svim tačkama koje se nalaze na istom rastojanju od centra izvora polja.

Nalaženje crnih rupa... pogled ka beskraju

Crnu rupu je teško zapaziti jer ne odaje svetlost, u stvari gotovo ništa. Ni do danas nijedna crna rupa nije zasigurno detektovana, jer se direktno teleskopom ne može videti. One se gotovo sigurno otkrivaju indirektnim putem, tj. njihovim gravitacionim uticajem na okolne objekte. Kako su u svojoj studiji napisali poznati astrofizičari M. Kamionkovski i R. Koldvel “novorođena crna rupa može da "luta" svemirom, usamljena i nevidljiva, ali mnoge rupe nisu same već su članovi dvojnog sistema čiji je jedan član vidljiv i tada se može detektovati njena lokacija”. Ti dvojni sistemi otkrivaju se “čudnovatim” ponašanjem vidljivih tela. Pri analizi spektra zvezde zapaža se regularni pomak u spektralnim linijama ka plavoj i ka crvenoj. Izračunavanjem kolika ih gravitacija ometa može se zaključiti kakav im je nevidljivi pratilac (npr. crna rupa ili neko drugo telo).

Za razumevanje funkcionisanja crne rupe, važan deo je akrecioni disk. Crna rupa svojom gravitacijom utice na okolne objekte, zarobljava gas i drugu materiju sa svog vidljivog pratioca. Time oko sebe formira dodatni disk tj. akrecioni disk (akrecija predstavlja proces sakupljanja okolne materije). Otkrivanjem takvog efekta, otkriva se skriveni pratilac. Ta materija se sliva kao kroz levak ka crnoj rupi i dok ne dosegne horizont dogadjaja odaje neko zračenje. Gravitaciono polje u blizini horizonta je jako veliko i materijal koji upada u crnu rupu ima veliku brzinu (blizu brzini svetlosti) i ubrzanje - čestice koje se slivaju medjusobno se sudaraju i to žestokim sudarima kao u nuklearnom akceleratoru, pa zato akrecioni disk odaje elektromagnetno zračenje visokih energija, najverovatnije X - zračenje.

Oko sistema dvojnih zvezda se može opisati putanja koja odredjuje domen gravitacionog dejstva svake zvezde. Materija koja se nađe unutar petlje pripada zvezdi koja se nalazi u centru te petlje. Ako se iz nekog razloga materija nađe van petlje, onda je ona izgubljena za datu zvezdu. Zbog različite brzine rotacije unutrašnjeg i spoljašnjeg sloja diska dolazi do velikog zagrevanja gasa usled trenja, kao i do ubrzanog pada velikih količina ove materije na površinu zvezde. Nas svakako interesuje šta se događa ako je jedna od dvojnih zvezda upravo crna rupa. Dodatnom analizom ponašanja akrecionog diska u čijem se centru verovatno nalazi crna rupa ustanovljeno je da će, pored stalnog X zračenja, ovaj sistem svakog stotog dela sekunde izračiti u vidu bljeska dodatno intenzivno X zračenje. Magnetne sile usled spiralnog spuštanja materije čupaju mlazeve atoma. Dakle, moguće je imati direktne dokaze za postojanje crne rupe.

Umetnički prikaz podataka dobijenih Chandra teleskopom - detekcija crne rupe na osnovu magnetnog polja

Elementi crne rupe

Nakon formiranja crne rupe, tj. nakon kolapsa zvezde, ona se vrlo brzo smesti u stacionarno stanje, pošto pri svakoj kretnji emisija gravitacionih talasa odnosi energiju. Za vreme kolapsa zvezde i nastajanja crne rupe, sva materija se kreće jako brzo, tako da se i energija brzo odliva. Od nekadašnje zvezde zadržavaju se masa, ugaoni momenat i ukupno naelektrisanje.

Može se reći da masa “remeti” gravitaciono polje i time izaziva gravitacione talase, kao što se elektromagnetni talasi mogu predstaviti periodičnim uzburkavanjima električnog polja. Ti “poremećaji” se odnose na geometriju prostor-vremena. Masa koja se nađe na putu gravitacionom talasu biće periodično zbijena, pa rastegnuta silama plime, kako talas prolazi kroz nju, jer gravitaciono polje nije uniformno. Ovo zbijanje i rastezanje prenosi energiju od izvora gravitacionog talasa do tela koje je apsorbuje. Međutim, jačina gravitacionih talasa je mala. Oni sami jos nisu detektovani na Zemlji, ali bi mogli mnogo reći o događajima koji su npr. vezani za crne rupe. 

Crvitičina (eng. Warmhole) - san o putovanju kroz vreme

Fizičari Verner Israel i Bredon Karter su 70-ih godina došli do zaključka da, ako je neutralna i ne rotira, crna rupa je jednostavan objekat koji se može opisati samo jednim parametrom - svojom masom. One bi se mogle opisati pomenutim oblikom Ajnštajnovih jednačina do kojih je došao još Švarcšild . Rotirajuća crna rupa nastaje od rotirajuće zvezde. Uglavnom sve zvezde rotiraju, pa se pretpostavlja da su i većina crnih rupa rotirajuće i da se odlikuju masom i ugaonim momentom. Brzina rotiranja prilikom kolapsa se naglo povećava, što znači da crna rupa mnogo brže rotira od bivše zvezde. Kod rotirajućih crnih rupa takođe postoji Švarcšildov radijus, ali izvan njega se nalazi i tzv. stacionarna granica, koja obrazuje polutarno ispupčenje oko crne rupe koje je uslovljeno centripetalnom silom. Objekat koji se nađe na stacionarnoj granici, ali izvan Schwarzchildovog radijusa, samo je delimično zarobljen i ima šanse da se izbavi. Ako bi se objekat kretao u smeru rotiranja crne rupe, ona bi ispoljila težnju da ga zavitla poput kamena iz praćke davši mu pritom više energije nego što je imao prilikom ulaska. Time se smanjuje ugaoni momenat crne rupe tj. ona usporava jer je deo ugaonog momenta prešao na objekat. Kada bi se ugaoni momenat istrošio ostala bi samo masa.

Problemi...

Naelektrisanje materije u crnoj rupi je obično nula, jer je zvezda uglavnom elektroneutralna. Odnosno, ako je upadnuta materija elektroneutralna crna rupa neće imati naelektrisanje i obrnuto. Crna rupa koja bi i imala naelektrisanje bila bi zbog toga okružna električnim poljem ogromne jačine i ono bi lako jonizovalo atome međuzvezdanog gasa i prašine. Na taj način bi crna rupa ubrzo postala elektroneutralna. 

Iz svega toga sledi "no-hair" teorema, jer veličina i oblik crne rupe zavise samo od mase i brzine rotiranja, a ne od prirode tela. To bi značilo da su sve informacije o kolapsirajućem telu izgubljene, ali i da crna rupa ipak nije sasvim crna. Međutim, kvantnom gravitacijom se radi na tome da se detekcijom gravitacionih talasa ipak možda dođe do nekakve informacije o preminuloj zvezdi i sazna šta se nalazi unutar crne rupe!

Leonard Susskind, profesor sa Prinstona, vodio je veliku bitku sa Stivenom Hokingom oko otkrivanja rešenja informacionog paradoksa crnih rupa.

Vrste crnih rupa

Primordijalne crne rupe

Moguće je i da postoje crne rupe sa masama znatno manjim od Sunčeve. One ne bi mogle da nastanu usled gravitacionog kolapsa, zato što im se mase nalaze ispod Chandrasekharove granice, već jedino ako im je materija sabijena do ogromnih gustina veoma velikim spoljnim pritiscima. Na primer, ovakvi uslovi mogu da nastanu u izuzetno velikoj vodoničnoj bombi. Praktična mogućnost na koju je 1971. godine ukazao Stiven Hoking jeste da je spoljna sila te veličine postojala u trenutku Velikog praska i prilikom formiranja Univerzuma. Delovi materije su se međusobno sudarali i mogli su biti podvrgnuti stravičnim temperaturama i pritiscima sa svih strana. Vasiona nije bila ravnomerna i jednoobrazna, već nejednake gustine što je gotovo sigurno, jer se u protivnom ne bi ni galaksije ni drugi objekti formirali. Vreme života praiskonskih crnih rupa trebalo bi da bude oko 10 milijardi godina, što znači da su nastale otprilike kad i Veliki prasak. Te "praiskonske" crne rupe se mogu otkriti jedino njihovim uticajem na okolinu i ne zna se koliko ih ima. Pretpostavlja se da su retke.

Galaktičke i supergalaktičke (supermasivne) crne rupe 

Slika svetlosnog eha supermasivne crne rupe u X-domenu (Chandra)

Obična galaksija sadrži oko hiljadu milijardi tela tako da je jako teško predvideti njihovo ponašanje. To je sistem koga čini gusto centralno jezgro sastavljeno iz zvezda s manje gustim zvezdanim haloom oko sebe, odnosno manjim brojem zvezda razbacanim unaokolo. Vremenom će se i ta konfiguracija menjati. Tela će se sudarati, neka će steći veću brzinu, većina će ostati u galaksiji, dok će neke postati deo haloa, a neke će čak sudarima dostići toliku brzinu da će napustiti galaksiju. Ostatak zvezda će izgraditi veoma gusto centralno jezgro, koje će se sabijati u sve manju zapreminu, stapaće se u veće zvezde, i srašće u crnu rupu. Prilikom formiranja jedne ovakve supermasivne crne centar galaksije ce isijavati svetlost i druge oblike zračenja. Okolina centra galaksije ce ličiti na kvazar, jer će crna rupa gutati okolne zvezde svojom plimskom gravitacijom, a one će zauzvrat emitovati energiju kao kvazari, spuštajući se u rupu. Ako se pretpostavi da galaktička crna rupa proguta samo 1% zvezda, a da 99% zvezda uspe da pobegne, crna rupa će imati masu oko milijardu puta veću od Sunčeve. centar galaksije ce isijavati svetlost i druge oblike zračenja. Okolina centra galaksije ce ličiti na kvazar, jer će crna rupa gutati okolne zvezde svojom plimskom gravitacijom, a one će zauzvrat emitovati energiju kao kvazari, spuštajući se u rupu. Ako se pretpostavi da galaktička crna rupa proguta samo 1% zvezda, a da 99% zvezda uspe da pobegne, crna rupa će imati masu oko milijardu puta veću od Sunčeve.