Czarna dziura i horyzont zdarzeń - czym są?

Czarna dziuraCzym jest czarna dziura? Czym jest horyzont zdarzeń?

Żeby zrozumieć, czym jest i jak działa czarna dziura, należy najpierw uporządkować swoją wiedzę o optyce.

Czym jest foton, jak działa światło - to podstawowe pytania, na które trzeba sobie odpowiedzieć. Następnie warto wspomnieć o grawitacji i zasadach, jakim jest poddawane dowolne ciało w polu grawitacyjnym. Dopiero posiadając uporządkowane te informacje, możemy przystąpić do wyjaśnienia, w jaki sposób działa czarna dziura, czym jest i dlaczego w ten sposób ja postrzegamy.

Czym jest zatem światło?

Światło widzialne jest to pewien zakres promieniowania, które może odbierać siatkówka ludzkiego oka, jako kolory pasma widzialnego. W skrócie - to dzięki światłu odbitemu od powierzchni przedmiotów widzimy wszystko to, co widzimy. Zgodnie z dualizmem korpuskularno - falowym, współcześnie, dzięki przyrządom, postrzegamy światło jako falę elektromagnetyczną lub strumień cząsteczek, zwanych fotonami (choć nie jednocześnie). Ważne jest także to, iż światło w próżni ma zawsze jednakową prędkość, bliską trzystu tysiącom kilometrów na sekundę, co sprawia, że światło wypromieniowane przez obiekty będące bardzo daleko (lub przez nie odbite) może docierać do nas po znacznym okresie czasu, wędrując przez obszary przestrzeni kosmicznej.

Foton jest cząstką elementarną o masie spoczynkowej równej zero, czyli zatrzymany foton nic nie waży. Podczas ruchu jednak foton posiada pewną masę. Z uwagi na stałą, znaczną prędkość ruchu i niewielką masę, mogłoby się zdawać iż foton nie poddaje się grawitacji, jednak zaobserwowano odchylenie toru ruchu fotonów w polu grawitacyjnym ciężkich ciał niebieskich, co jednoznacznie dowodzi tego iż foton posiada masę.

Co to jest grawitacja?

Grawitacja jest to oddziaływanie, wywierane na siebie przez dowolne ciała, posiadające masę. Wielkość siły grawitacji jest zależna od dwóch czynników - od masy ciał oraz od odległości pomiędzy nimi (a dokładniej pomiędzy ich środkami ciężkości). Zatem im cięższe są oddziałujące ciała i im bliżej siebie się znajdują, tym większa siła przyciągania na nie działa. Najlepiej obserwujemy siłę grawitacji na ziemi - podrzucony przedmiot spada na ziemię. Co ciekawe gdyby zlekceważyć opory powietrza, to dwa przedmioty o różnej masie, spadną z jednakowej wysokości w jednakowym czasie. Dzieje się tak, gdyż ich masa, w porównaniu do masy ziemi jest pomijalna. Większość ciał wyrzucona lub wystrzelona z ziemi spada na nią, gdyż potrzeba olbrzymiej energii, by wynieść dowolną masę poza oddziaływanie ziemskiej grawitacji, lub przynajmniej w obszar, gdzie jest na tyle ograniczona, że jesteśmy w stanie zrównoważyć ją poprzez inne siły (na przykład siłę odśrodkową na orbicie okołoziemskiej). To także dzięki grawitacji ziemię otacza atmosfera - sfera gazów, które nieustannie przyciągane są w kierunku planety, przy czym cięższe gazy znajdują się bliżej powierzchni, podczas gdy wyżej znajdują się gazy lżejsze.

Skoro wiemy już, że ziemia posiada pole grawitacyjne, to uważamy, że także światło powinno być przez nią przyciągane. I tak właśnie jest.. Najlepiej obserwujemy to o świcie i o zmierzchu, gdyż wtedy właśnie docierające do nas promienie światła (strumienie fotonów) przechodzą przez najgrubszą warstwę pola grawitacyjnego, zakrzywiając się ku powierzchni. W efekcie zarówno wschód słońca jak i zmierzch obserwujemy nieco dłużej niż powinniśmy - pierwsze w przypadku wschodu a ostatnie podczas zachodu słońca fotony wysyłane są spoza linii horyzontu, a widzimy je tylko dzięki temu, że ich tor zakrzywiany jest przez pole grawitacyjne i trafia wprost w nasze oczy.

Czarna dziura i horyzont zdarzeń

Posiadając te dane, możemy wyobrazić sobie dużą kondensację masy. Tak dużą, że żadna rakieta nie byłaby w stanie wyrwać się z pola grawitacyjnego. Tak olbrzymią, że nawet fotony o minimalnej masie a maksymalnej prędkości byłyby przez nią wyłapywane z pewnej odległości (im mniejsza odległość, tym większe oddziaływanie grawitacyjne). Tak wielką w końcu, że foton wystrzelony z jej powierzchni nie miałby dość energii, by wydostać się z jej pola grawitacyjnego i spadłby na powrót na jej powierzchnię. Otrzymalibyśmy obszar, z którego nie docierałoby do nas nic - nawet odrobina światła. Obszar ten wyglądałby dla nas jak pustka w przestrzeni, bo nawet światło gwiazd za nim nie mogłoby przez niego przeświecać. To właśnie zwiemy czarną dziurą, a jej zasięg, widziany przez obserwatora to właśnie obszar, na którym jej pole grawitacyjne, skupione wokół ośrodka masy ma taką siłę, że przelatujący foton nie może się z niej wyrwać. Obszar ten nazywamy horyzontem zdarzeń - nie jesteśmy w stanie zajrzeć za niego, tak jak na powierzchni ziemi nie jesteśmy w stanie spojrzeć poza horyzont. Im większa masa czarnej dziury, tym większa jest odległość oddziaływania tak silnego, że "połyka" fotony. Oczywiście inne ciała, posiadające większą masę i mniejszą prędkość przyciągane są jeszcze łatwiej i z większej odległości, jeśli więc zobaczylibyśmy dowolny obiekt w polu grawitacyjnym czarnej dziury, wyglądałby dla nas jak wchłaniany przez nią. Tak samo jak światło gwiazd, które przedostaje się tuż obok horyzontu zdarzeń i zamiast zostać wciągnięte poza niego, zostaje jedynie zakrzywione.



Zobacz podobne:
Zasady dynamiki Newtona

Zasady dynamiki Newtona3 zasady dynamiki Izaaka (Isaaca) Newtona Podstawowym

Izaak Newton - życie i działalność

Izaak NewtonSir Isaac [Izaak] Newton urodził się w 1643, zmarł w 1727. Był angielskim fizykiem, filozofem, astronomem i matematykiem. W latach 1669-1701 był p

Zjawiska atmosferyczne okiem fizyka

To, że pada deszcz czy po niebie przesuwają się chmury, jest dla nas naturalne. A jak wytłumaczyć do z punktu widzenia fizyki? Zacznijmy od chmur. Składają się one z wody