Jednymi z najbardziej tajemniczych obiektów w naszym Wszechświecie są czarne dziury. Charakteryzują się one bardzo dużą masą, czego skutkiem jest otaczające je potężne pole grawitacyjne. W odpowiednio bliskiej odległości od czarnej dziury nawet prędkość światła nie wystarcza, aby pokonać siłę przyciągania i uciec w daleką przestrzeń. Taką odległość nazywamy promieniem Schwarzschilda, który wyznaczyć można ze wzoru R=2GM/c2, gdzie M oznacza masę obiektu, natomiast c – prędkość światła w próżni.

Oznacza to, że człowiek w celu zostania czarną dziurą musiałby zmniejszyć się do rozmiarów kilka miliardów razy mniejszych od protonu. Sferę wokół czarnej dziury wyznaczoną przez promień Schwarzschilda nazwano horyzontem zdarzeń.

Ze względu na masę, czarne dziury możemy podzielić na kilka rodzajów.

Pierwszym typem są czarne dziury o wielkościach gwiazdowych. Powstają zazwyczaj w wyniku wybuchów supernowych. W gwiazdach o masach przekraczających 20 mas Słońca zaczyna w pewnym momencie brakować helu oraz wodoru. Rozpoczyna się wówczas proces spalania cięższych pierwiastków, jednak ciśnienie promieniowania przestaje równoważyć siłę grawitacji. Gwiazda początkowo się zapada, a następnie zewnętrzne warstwy odbijają się od jądra i zostają odrzucone. Jądro zamienia się w gwiazdę neutronową, która czasami ewoluuje dalej w czarną dziurę. Wyjątkowo masywne gwiazdy mogą bezpośrednio zapaść się w czarną dziurę, nie przechodząc przez etap supernowej.

Czarne dziury mogą być jednak znacznie masywniejsze i należą one wtedy do grupy supermasywnych czarnych dziur. Mogą one osiągać masę miliona, a nawet miliarda mas Słońca. Sposób, w jaki powstają, wciąż nie jest naukowcom znany, lecz istnieje na ten temat kilka teorii. Niektórzy sądzą, że pierwotnie były one rozmiarów gwiazd, lecz z biegiem czasu się rozrosły. Istnieje jednak grupa naukowców, która twierdzi, że supermasywne czarne dziury powstały tuż po Wielkim Wybuchu poprzez kolaps grawitacyjny niejednorodności materii. Możliwe jest także, że w młodym wszechświecie istniały gigantyczne gwiazdy, z których uformowały się tajemnicze obiekty. W takim wypadku jądra tych gwiazd zapadałyby się w czarne dziury, które wchłaniałyby zewnętrzne warstwy gwiazdy nierozproszone przez wybuch supernowej. Niektórzy badacze twierdzą także, że model Wielkiego Wybuchu jest nieprawdziwy, a supermasywne czarne dziury są pozostałościami z poprzednich Wszechświatów.

Istnieje jednak pewien pośredni rodzaj czarnych dziur, których masy są rzędu tysiąca mas Słońca. Ich powstawanie również nie jest jeszcze do końca wyjaśnione. Według jednej z istniejących teorii, gwiazdy w gęstych gromadach mogłyby się łączyć, tworząc wystarczająco potężne obiekty, aby powstały z nich takie czarne dziury. Naukowcy nie wykluczają także możliwości, że powstały one wskutek zapadania się gwiazd III populacji istniejących we wczesnych latach naszego Wszechświata.

Czwartym, hipotetycznym typem czarnych dziur są pierwotne czarne dziury (primordial black holes; PBH), które mogły powstać z niezwykle gęstej materii tuż po Wielkim Wybuchu. Ze względu na to, że nie powstały z gwiazd, mogłyby ważyć nawet mniej od Słońca. Obecnie nie posiadamy jednak żadnych dowodów na istnienie PBH.

Zapadanie grawitacyjne nie jest jedynym procesem prowadzącym do powstania czarnych dziur – teoretycznie powinny się one formować również wskutek silnych zderzeń. Miniaturowe czarne dziury mogą się tworzyć przy wejściu wysokoenergetycznych cząsteczek promieniowania kosmicznego w atmosferę, a także w akceleratorach cząstek. Takie miniaturowe czarne dziury niemal natychmiast by wyparowały.

Czarne dziury wciąż skrywają przed nami wiele tajemnic i być może prowadzone w przyszłości badania dostarczą nam odpowiedzi na pytania dotyczące ich powstawania i ewolucji.

Artykuł napisał Kacper Dądela.

Autor

Redakcja AstroNETu
Redakcja AstroNETu