Čierne diery vo vesmíre

1. Michal Michalčík Tomáš Rakyta Čierne diery vo vesmíre

2. Obsah • Úvod • História • Fotky vedcov • Všeobecná charakteristika • Čo je to čierna diera • Horizont udalostí • Všeobecná teória relativity • Gravitačná singularita • Nešťastné pomenovanie • Pozorovanie • Záver • Zoznam požitej literatúry • Prílohy

3. 1.Úvod Vesmír, chladný , tajomný a nepreskúmaný. Už od začiatku vekov naň ľudia hľadeli z úctou, postupom času sa ho snažili spoznávať. S časom prichádzali aj vedomosti. Stále v ňom však ostáva plno záhad a jednou z takýchto záhad sú aj čierne diery . V našom projekte by sme sa chceli zamerať hlavne na to ako ľudia začali objavovať a skúmať čierne diery ale aj to ako vznikajú či zanikajú. A čo teda sú čierne diery

4. 2. História Predstavu telesa takého masívneho, že z neho dokonca ani svetlo nedokáže uniknúť, navrhol anglický geológ JohnMichell v roku 1783 v práci zaslanej do Kráľovskej spoločnosti. V tom čase boli Newtonovská teória gravitácie a pojem únikovej rýchlosti už dobre známe. Michell vypočítal, že teleso, ktorého polomer je 500-krát väčší ako polomer Slnka a zároveň má rovnakú hustotu, by malo na povrchu únikovú rýchlosť rovnú rýchlosti svetla, a preto by bolo neviditeľné.

5. StephenHawking • Záujem o čierne diery znovu vzplanul v roku 1967 s pokrokom v oblasti teórie a pokusov. StephenHawking dokázal, že čierne diery sú všeobecnou vlastnosťou Einsteinovej teórie gravitácie a nie je možné sa im vyhnúť pri kolabovaní niektorých objektov. Záujem sa v astronomickej komunite obnovil s objavom pulzarov. Krátko nato teoretický fyzik JohnWheeler zaviedol výraz „čierna diera“. Dovtedy bol príležitostne použitý termín čierna hviezda. Termín sa objavil v prvých častiach seriálu StarTrek a príležitostne sa používal po roku 1967, najmä preto, že niektorí ľudia považovali termín „čierna diera“ za obscénny po preložení napríklad do francúzštiny alebo ruštiny.

6. 3. Všeobecná charakteristika • Čierna diera alebo kolapsar je koncentráciou hmoty s takou veľkosťou, že jej gravitačná sila zabraňuje úniku akýchkoľvek častíc s výnimkou efektu nazývaného kvantové tunelovanie. Gravitačné pole je také silné, že úniková rýchlosť z blízkych bodov presahuje rýchlosť svetla. Z toho vyplýva, že nič, dokonca ani svetlo, nemôže uniknúť jej gravitácii, preto slovo „čierna“. Pojem „čierna diera“ sa stal zaužívaným, aj keď teória nespomína žiadnu dieru v normálnom slova zmysle, ale oblasť vesmíru, z ktorej nič neunikne. • Existenciu čiernych dier predpokladá všeobecná relativita. Podľa klasickej všeobecnej relativity, žiadna hmota ani informácia nemôže prúdiť z vnútra čiernej diery k vonkajšiemu pozorovateľovi. Napríklad nie je možné dostať von žiadnu z jej častí, ani odrazené svetlo od zdroja podobného fotografickému blesku, alebo získať akúkoľvek informáciu o látke, ktorá vstúpila do čiernej diery. Kvantovo mechanické efekty však dovoľujú látke energiu vyžarovať z čiernych dier, aj keď sa predpokladá, že žiarenie nezávisí na tom, čo do čiernej diery padlo v minulosti. • Existencia čiernych dier vo vesmíre je dobre podložená astronomickými pozorovaniami, hlavne zo štúdia supernov a röntgenového žiarenia z aktívneho galaktického jadra.

7. 3.1 Čo je to Čierna diera? • Čierne diery nevidíme, pretože svetlo z nich neuniká. Ako teda vieme, že naozaj existujú? Pretože vidíme, ako pôsobia na hmotu v okolí: na gigantické oblaky plynu a hviezdy. Gravitačný rukopis čiernej diery si nemôžeme pomýliť s nijakým iným telesom. Astronómom sa pomocou Hubblovho teleskopu a ďalších výkonných prístrojov podarilo počas uplynulých dvadsiatich rokov identifikovať veľké množstvo čiernych dier, pričom ich počet z roka na rok narastá. Niektoré z nich vznikli po kolapse masívnych hviezd, ktoré mali prinajmenšom 8-násobnú hmotnosť Slnka. Väčšina však vznikla už krátko po Big Bangu, po kolapse gigantických oblakov plynu. Okolo týchto čiernych dier sa začali formovať galaxie. V roku 1997 astronómovia na základe napozorovaných údajov dospeli k záveru, že supermasívne čierne diery tvoria jadro väčšiny z miliárd galaxií.   Teória sa potvrdila: v posledných rokoch boli objavené supermasívne čierne diery v mnohých galaxiách. Sú to s odstupom najhmotnejšie telesá vo vesmíre, niekoľkomilión – až niekoľkomiliárdkrát väčšie ako naše Slnko. Čierne diery, ktoré vznikli po kolapse masívnych hviezd, majú hmotnosť 3–50-krát väčšiu ako Slnko. StevenHawking navrhol aj tretí, doteraz neobjavený typ čiernej diery. Tieto primordiálne či mini čierne diery sa teoreticky mohli sformovať na začiatku času, keď sa z big bangu zrodil vesmír plný malých, ale superkomprimovaných balíkov hmoty. Slovo malý je relatívne: miničierne diery mali podľa Hawkinga hmotnosť od 1 gramu až po hmotnosť veľkej planéty.   Vedci začali skutočnú podstatu čiernych dier chápať až po roku 1960. Čierne diery sa stali, aj vďaka astrofyzikom, obľúbenou témou literatúry sci-fi, prostredníctvom ktorej si verejnosť osvojila viaceré skreslené predstavy. Mnohí ľudia si myslia, že nenásytné čierne diery pohltia časom všetku hmotu vesmíru a jedného dňa deštruujú a vcucnú aj našu Zem. Početné filmy a televízne seriály imputovali do vedomia divákov sugestívne obrazy čiernych dier ako prázdneho priestoru či „dier vo vesmíre“.

8. 3.2 Horizont udalostí • Horizont udalostí je plocha v priestoročase, ktorá pre daného pozorovateľa vymedzuje oblasť, z ktorej ho nemôže dosiahnuť žiadne elektromagnetické žiarenie (svetlo). • Typickým príkladom horizontu udalostí je hranica čiernej diery – úniková rýchlosť sa na nej rovná rýchlosti svetla, takže táto oblasť je najskoršia hranica, odkiaľ môže svetlo uniknúť. Ináč povedané, pod horizontom všetky časupodobné a svetelné svetočiary zostávajú v čiernej diere (eventuálne smerujú do singularity) a nemôžu ovplyvniť pozorovateľa mimo čiernej diery. • Horizont udalostí pre vonkajšieho pozorovateľa skutočne funguje ako horizont. Vidí objekty padajúce smerom k horizontu sa k nemu približovať, ale (v jeho vlastnom čase) ho nikdy nedosiahnu. Podľa jeho pozorovaní objekty padajú pomalšie a pomalšie smerok k horizontu a počas toho pádu sa červený posuv zväčšuje za všetky hranice až do nekonečna. Taktiež pozorovateľom meraná intenzita žiarenia padajúceho objektu sa rýchlo približuje k nule. V konečnom čase vonkajší pozorovateľ zaznamená posledný fotón z padajúceho objektu, nikdy však neuvidí padajúci objekt prechádzať cez horizont.

9. 3.3 Všeobecná teória relativity • Všeobecná teória relativity je teória o priestore, čase a gravitácii, ktorú sformuloval Albert Einstein v rokoch 1911 až 1916 (zverejnená bola v roku 1916). • Opisuje vzájomné pôsobenie (interakciu) priestoru a času na jednej strane a hmoty (vrátane polí) na strane druhej. Jej hlavná výpoveď je, že gravitácia vlastne nie je nič iné ako geometrický jav v zakrivenom štvorrozmernom časopriestore, presnejšie: Hmotné telesá sú zdrojom gravitačného poľa, ktoré určuje metriku (vlastnosti) časoprietoru v danej oblasti, ktorá zas naopak spätne ovplyvňuje stav a pohyb telies v danej oblasti. • Niektoré vlastnosti: • Teória aplikuje princíp relativity na oblasti, v ktorých má rozhodujúcu úlohu gravitácia. • Jej základom je princíp ekvivalencie. • Všeobecná teória relativity je rozšírením špeciálnej teórie relativity a pre dostatočne malé oblasti časopriestoru sa s ňou stáva identickou. V porovnaní so špeciálnou teóriou relativity je pre laika oveľa ťažšie zrozumiteľná, existuje však pre ňu dostatočné množstvo experimentálnych dôkazov.

10. 3.4 Nešťastné pomenovanie • Problémy čiernej diery sa začínajú už s ich menom. Po prvé: čierne diery nemusia byť ani čierne, a už vôbec nie diery. Prídavné meno „čierny“ sugeruje absolútnu neprítomnosť farby, lenže v prípade čiernej diery to znamená absenciu vyžarovaného svetla či iných emisií. Veľké čierne diery sú v tomto zmysle naozaj veľmi čierne. Menšie čierne diery však energiu vyžarovať môžu. Hawking už v roku 1974 navrhol mechanizmus, pomocou ktorého by čierne diery mohli transformovať svoju hmotu na žiarenie a častice, ktoré by dokázali uniknúť z čiernej pasce. Takéto čierne diery by už neboli celkom čierne.Hawkingov proces „vyparovania“ čiernych dier funguje takto: vo vesmíre sa odjakživa a na každom mieste spontánne tvoria páry častíc. Tieto častice sa navzájom po uplynutí 10 až 23 sekúnd anihilujú, takže ich krátka prítomnosť nenarušuje nijaký zákon fyziky.

11. 4. Pozorovanie • Teória hovorí, že nemôžeme objaviť čierne diery podľa svetla vyžarovaného alebo odrazeného od hmoty v ich vnútri. Tieto objekty však môžu byť predpovedané z pozorovania javov v ich blízkosti, ako napríklad jav gravitačnej šošovky a hviezd, ktoré zdanlivo obiehajú okolo priestoru, kde nie je viditeľná žiadna hmota. Za najviditeľnejšie efekty sú považované tie, ktoré pochádzajú z hmoty rútiacej sa do čiernej diery, ktorá (ako voda tečúca do odtoku) sa podľa predpovedí sústreďuje do extrémne horúcich a rýchlo sa točiacich akréčnych diskov okolo objektu, kým je ním pohltená. Trenie medzi priľahlými zónami disku spôsobuje, že sa prehrieva a vyžaruje veľké množstvá röntgenových lúčov. Toto zahrievanie je výnimočne výkonné a môže premeniť okolo 50% hmoty na žiarenie, v protiklade s nukleárnou fúziou, ktorá dokáže konvertovať iba niekoľko málo percent hmoty na energiu. Ďalšie predpokladané efekty sú úzke prúdy častíc v relativistických rýchlostiach vystrekujúce popri osiach disku. Jedným z možných laických vysvetlení je teória pingpongovej loptičky.

12. 5. Záver • V našom projekte sme sa vám snažili priblížiť problematiku čiernych dier. Priblížili sme vám históriu z ktorej sa môžete dozvedieť mnoho zaujímavosti a taktiež mena vedcov ktorí sa podieľali na výskumoch a obajavovaní tejto zaujímavej témy. Ako ďalšie si môžete pozrieť fotky niektorých vedcov. Ako hlavné ste sa mohli dozvedieť ako čierne diery vznikajú a zanikajú a čo čierne diery sú.

13. 6.Zoznam Použitej literatúry • www.referaty.sk • www.wikipedia.org • www.suh.sk

14. 7.Prílohy