Crne rupe

Simulacija izgleda crne rupe ispred
Velikog Magelanovog oblaka

Sa astronomske tačke gledišta, crne rupe su izrazito masivna nebeska tela, sa gravitacijom toliko jakom da nijedan oblik materije ili radijacije ne može da joj se odupre. Čak ni svetlost, za koju se smatra da ima najveću brzinu u svemiru, ne može da pobegne toliko jakoj gravitacionoj sili te se zbog toga i zove crna. Termin crna rupa je ustaljen 1969. godine odstrane strane američkog naučnika Džona Vilera.

Pošavši od pretpostavke da na svetlost utiče gravitacija, profesor sa Kembridža Džon Mičel objavio je 1783. godine rad u kome je istakao da bi zvezda dovoljno masivna i zbijena imala tako snažno gravitaciono polje da mu ni svetlost ne bi mogla pobeći. Smatrao je da postoje mnogo ovakvih zvezda. Iako mi ne bismo bili u stanju da ih vidimo, mogli bismo da osetimo njihovu gravitaciju.

Na sličnu zamisao je nekoliko godina kasnije došao francuski naučnik Laplas. On je u svojim radovima istakao da malo znamo o prirodi svetlosti da bi mogli da pretpostavimo kako na nju deluje gravitacija i da nije sasvim na mestu izjednačiti svetlost sa topovskom đuladi u Njutnovoj teoriji gravitacije, jer je brzina svetlosti konstantna.

Teorija koja objašnjava na koji način gravitacija utiče na svetlost pojavila se 1915. godine kada je Ajnštajn objavio svoju opštu relativnost. Međutim, proći će mnogo vremena dok se koncept crne rupe potpuno ne usvoji.

Karl Švarcšild je, nekoliko meseci kasnije, rešio Ajnštajnovu jednačinu polja gravitacije, što je dovelo do boljeg razumevanja crnih rupa i do snažnog uticaja Ajnštajnovih jednačina na kosmologiju. Zanimljivo je to da je te jednačine rešio dok je bio na frontu, a rešenja poštom poslao Ajnštajnu. Međutim, ubrzo je umro od bolesti koju je zaradio u ratu. Tada je već bilo pozanto da su crne rupe u stvari, poslednji stadijum evolucije zvezde koja ima dovoljno veliku masu.

Struktura crvenog džina

Ali kako crne rupe nastaju? Nakon što zvezda potroši svoje vodonično gorivo, hladi se i unutrašnji pritisak opada tako da ona počinje da se sabija pod uticajem gravitacije. Međutim, dok se jezgro sabija, omotač jezgra počinje da se širi. Jezgro se zbog sabijanja toliko zagreva da započinje drugu nuklearnu reakciju u kojoj helijum prelazi u ugljenik. Za to vreme omotač se proširio od više desetina do stotinu puta, a boja zvezde postaje crvena. Te zvezde se nazivaju crveni džinovi. Crveni džin će se održavati sve dok ne potroši sve zalihe helijuma, nakon toga gravitacija opet pobeđuje i zvezda se opet sabija i zvezdana materija postaje veoma gusta.

Ako je njena masa ispod Kandrasekarove granice (1.5 masa Sunca) ona će završiti kao beli patuljak, zvezda prečnika oko 1500 kilometara, koja sija belom svetlošću. Gravitaciji se u ovom slučaju suprostavilo Paulijevo načelo isključenja koje glasi da čestice sa istom energijom moraju imati različite spinove. Obzirom da postoje dva spina, a materija je veoma zgusnuta, ovo ih nagoni da se međusobno udaljavaju. Ako je masa zvezde između 1.5 i 2 Sunčeve mase, kao protivteža gravitaciji takođe bi se javilo odbijanje proisteklo iz načela isključenja, ali ne više između elektrona, već izmedu protona i neutrona. Ove zvezde su zbog toga dobile naziv neutronske zvezde. One u prečniku imaju tek nekoliko desetina kilometara, dok bi im gustina iznosila stotine miliona tona po kubnom centimentru.

Zvezde sa masom većom od 2 Sunčeve suočavaju se sa velikim problemom kada potroše svoje gorivo. U nekim slučajevima one mogu da eksplodiraju u vidu supernove, te na taj način, odbacujući materiju, izbegnu katastrofalni gravitacioni kolaps, ali teško je poverovati da se ovo uvek desi bez obzira na veličinu zvezde. Poslednji stadijum jedne masivne zvezde je crna rupa. Načelo isključenja u tom slučaju nije dovoljno jako da se odupre gravitaciji, pa zvezda kolabira u jednu tačku (singularitet) koja zadržava masu te zvezde, ali sa zapreminom jednakoj nuli.

Crne rupe se mogu na osnovu mase klasifikovati u četiri grupe:

Simulacija izgleda Sagitariusa A

• Supermasivne crne rupe - imaju masu jednaku milijardi solarnih masa (masa Sunca). Smatra se da se one nalaze u centrima galaksija jer se jedino tako može objasniti šta može okupiti veliki broj zvezda u jednu galaksiju. Čak se i u centru naše galaksije nalazi supermasivna crna rupa, Sagitarius A.
•  Crne rupe srednje mase - sadrže oko hiljadu solarnih masa.
• Stelarne crne rupe - nastaju kolabiranjem individualnih zvezda sa masama od 3 do 30 solarnih. Medutim, teoretski „dodavanje“ mase neutronskoj zvezdi može da prouzrokuje to da ona pređe Kandrsekarevu granicu i da kolabira.
• Mikro crne rupe - imaju masu manju od sunčeve sve do mase ravne Plankovoj konstanti. Takve crne rupe ne bi mogle da nastanu pod dejstvom gravitacionog kolapsa jer imaju masu manju od Kandrsekarove granice, već mogu da nastanu samo ako je materija sabijena do ogromnih gustina veoma velikim spojnim pritiskom. Fizičar Džon Viler je izračunao, da ako bi se iz svih okeana na Zemlji, uzela teška voda, mogla bi se napraviti vodonična bomba koja bi u toj meri sabila materiju u središtu da bi tu nastala crna rupa. Praktična mogućnost jeste da su takve crne rupe sa malom masom nastale pri visokim temperaturama i pritiscima veoma ranog svemira. Međutim, do danas nije otkrivena ovakva crna rupa.

Struktura crnih rupa je različita u zavisnosti od toga da li je ona naelektrisana i da li vrši rotaciju. Najprostiju strukturu ima crna rupa koja ne rotira i nije naelektrisana, a poznata je još i pod imenom Švarcšildova crna rupa. Ovakva crna rupa ima pet najznačajnijih delova:

• Horizont događaja je efektivna granica crne rupe, unutar koje se svetlost ne može otisnuti ka spoljnoj sredini. Horizont nije fizička površina već predstavlja zamišljenu sferu oko crne rupe unutar koje posmatrač ne može ništa videti.
• Singularitet u jednoj tački je karakterističan za nerotirajuće crne rupe. Fizičari singularitet definišu kao deo prostora sa beskonačnom gustinom i nultom vrednošću zapremine. Međutim, postoji izvesna nesigurnost u ovom opisu: za razliku od opšte relativnosti, kvantna mehanika, koja je u potpunosti podržana u matematičkom i eksperimentalnom pogledu, ne dozvoljava objektima da imaju nultu vrednost zapremine, tako da singularitet opisuje kao veliku količinu mase sabijenu u najmanju moguću zapreminu.
• Fotonska sfera je sfera koja se nalazi oko horizonta događaja i sastavljena je od fotona. Naime, fotoni bivaju zarobljeni jakom gravitacijom crne rupe pa nastavljaju da kruže oko nje, čineći sami fotonsku sferu.
• Akceliracijski disk - nastaje od materije koja će biti uvučena u crnu rupu. Materija zbog jake gravitacije kruži oko crne rupe formirajući disk.
• Mlazovi plazme - nastaju kao posledica magnetnog polja koje stvara materija u akreacijskom disku. Mlazevi nastaju u pravcu ose rotiranja materije u akreacijskom disku. 

Struktura crne rupe i nastanak fotonske sfere