• Co to jest strefa unikania?
• Co się stanie kiedy zderzą się dwa obiekty o dużej gęstości, np. czarne dziury lub gwiazdy neutronowe?
• Jaka jest wartość prędkości ucieczki dokładnie na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury?
• Jaka jest gęstość czarnych dziur?
• Czy "czarna materia" znaczy tyle, co "czarna dziura"?
• Czy Wszechświat jest nieskończony?
• Czy w centrum Galaktyki znajduje się czarna dziura?

Odpowiedź:

Roman Ratajczak:

Aby odpowiedzieć na Pańskie pytanie trzeba cofnąć się w czasie do początków XX wieku, kiedy to praktycznie zaczyna się nowa dziedzina astronomii - astronomia pozagalaktyczna.
W roku 1923 Edwin Hubble poprzez wyznaczenie odległości do cefeidy w Wielkiej Mgławicy w Andromedzie dostarczył dowodów, które pozwoliły rozstrzygnąć czy obserwowane mgławice spiralne leżą wewnątrz naszej Galaktyki, czy też są odległymi skupiskami gwiazd, podobnymi do Drogi Mlecznej.

Choć pierwsze próby wyjaśnienia natury tych tajemniczych obiektów były podejmowane już w XVIII wieku, to najgorętszy spór rozgorzał dopiero na początku XX wieku. Wcześniej obiekty mgławicowe były jedynie katalogowane głównie przez "łowców komet" aby uniknąć ewentualnych pomyłek

Ponieważ mapy rozkładu obiektów mgławicowych wykazywały dziwną niekonsekwencję - zdecydowany brak tych obiektów w pobliżu płaszczyzny dysku galaktycznego, rejon ten został nazwany strefą unikania.
Niektórzy astronomowie skłaniali się do hipotezy, iż mgławice są obiektami leżącymi wewnątrz Galaktyki, lecz odpychane przez nią nieznaną siłą (dysk jako najgęstsza część Galaktyki odpychał najsilniej, stąd brak mgławic w pobliżu dysku), a duża prędkość ich ucieczki miała być argumentem na poparcie tej teorii.
Inni uważali, że duża prędkość mgławic przemawia na korzyść hipotezy o odległych galaktykach, a dodatkowym argumentem (jak dziś wiadomo bardzo trafnym) było wytłumaczenie istnienia strefy unikania. Ponieważ niektóre mgławice obserwowane w kierunku płaszczyzny ich dysku mają ciemny cienki pas w tej płaszczyźnie, to Droga Mleczna jako jedna z wielu mgławic również posiada taką strukturę i to właśnie ona jest odpowiedzialna za zasłanianie odległych galaktyk, które leżą w pobliżu płaszczyzny dysku naszej Galaktyki.

Zatem strefa unikania, to po prostu efekt selekcji obserwacyjnej - nie możemy obserwować galaktyk w płaszczyźnie dysku gdyż gaz, pył i gwiazdy, których największe zagęszczenie występuje w tej płaszczyźnie przesłania nam obraz odległych i słabych obiektów.

6 września 2005

Odpowiedź:

Roman Ratajczak:

Słowo "zderzenie" występujące w pytaniu należałoby raczej zamienić na termin koalescencja, który oznacza zlanie się dwóch obiektów.

Jak wiadomo, gwiazdy występują nie tylko pojedyńczo, ale rownież w układach złożonych z dwu a nawet większej ilości składników.
W ciągu całego "życia" gwiazda przechodzi przez różne etapy ewolucji zależne od jej masy. Tylko te najbardziej masywne gwiazdy kończą swój żywot w efektownym wybuchu i rozbłyskują jako supernowe. Los tego co pozostało po wybuchu, zależy od masy pozostałej po odrzuceniu zewnętrznych warstw gwiazdy. Gdy masa pozostałego po wybuchu jądra wynosi ok 1,4 masy Słońca - końcowym stadium ewolucji jest gwiazda neutronowa (NS), gdy jednak masa jądra jest większa niż 2-3 masy Słońca, powstaje czarna dziura (BH).

Wyobraźmy sobie, że znaleźliśmy ciasny układ podwójny gwiazd, którego oba składniki były wystarczająco masywne aby stać się gwiazdami neutronowymi, czarnymi dziurami, albo też kombinacją czarnej dziury i gwiazdy neutronowej (w praktyce takie układy są bardzo trudne do zaobserwowania, ze względu na naturę tych obiektów, jednakże astronomowie znają kilka układów NS-NS).

Ogólna teoria względności (OTW) przewiduje, że linia apsyd orbity eliptycznej takiego układu (linia łącząca punkty największego zbliżenia - perycentrum i największego oddalenia - apocentrum) powinna wykonywać powolny obrót w przestrzeni. Drugim efektem przewidzianym przez OTW jest skracanie się okresu orbitalnego i zacieśnianie takiego układu - krążące wokół siebie gwiazdy doznają przyspieszeń, które powodują emisję energii w postaci fal grawitacyjnych. Powoduje to, iż dwie gwiazdy powoli zbliżają się do siebie po torze spiralnym, a sygnał grawitacyjny staje się coraz silniejszy i o coraz wyższej częstotliwości (za odkrycie takiego układu NS-NS i zmierzenie tempa skracania się okresu obiegu Hulse i Taylor otrzymali w 1974 roku Nagrodę Nobla). Niezależnie od rodzaju układu (NS-NS, BH-BH, czy też BH-NS) taki efekt zacieśniania się orbity prowadzi do katastrofy - koalescencji, na skutek czego powstaje pojedyńcza czarna dziura o masie zbliżonej do masy obu obiektów.

Efekt wypromieniowywania energii w postaci fal grawitacyjnych wiąże się z jednym z najtrudniejszych przedsięwzięć w nauce doświadczalnej - budową bardzo czułego detektora, który rejestrowałby sygnały dochodzące od takich układów (TAMA, GEO 600, LIGO, VIRGO).
Polecam również bardzo ciekawy artykuł na temat detekcji fal grawitacyjnych w Uranii.

7 grudnia 2004

Odpowiedź:

dr Zdzisław Golda:

Grawitacja jest jedynym fundamentalnym oddziaływaniem fizycznym występującym powszechnie w przyrodzie. Podlega jej wszelka materia niezależnie od rozmiarów i własności. Również światło podlega oddziaływaniom grawitacyjnym (hipotezę o przyciąganiu światła przez masywne ciała wysunął I. Newton). Pozostałe oddziaływania związane są z własnościami fizycznymi materii.

Jednym z pierwszych uczonych, który rozważał oddziaływanie grawitacji na światło przez ciała masywne był francuski matematyk i astronom P.  S. de Laplace. Doszedł on do wniosku ,,..., że największe i najjaśniejsze ciała we Wszechświecie mogą być z tego powodu niewidoczne''. Rozumowanie Laplace'a polegało na wyznaczeniu prędkości ucieczki, tzn. prędkości którą musimy nadać dowolnemu ciału, aby mogło przezwyciężyć przyciąganie grawitacyjne innego ciała (np. gwiazdy czy planety) i na zawsze oddalić się do nieskończoności. Jeśli weźmiemy pod uwagę gwiazdę na powierzchni, której prędkość ucieczki przekroczy prędkość światła - rozumował Laplace - to wówczas światło takiej gwiazdy nie jest w stanie pokonać przyciągania grawitacyjnego i dotrzeć do odległego obserwatora. Zatem gwiazda ta choć świeci staje się niewidoczna dla obserwatora (jest ,,czarna''). Rozprawę Laplace'a zawierającą dowód możliwości istnienia takich obiektów zacytowali w 1973 r. S. Hawking i G.F.R. Ellis w podręczniku poświęconym matematycznym zagadnieniom czasoprzestrzeni.

W 1984 r. angielski astrofizyk M. Rees na konferencji w Tuluzie przedstawił pracę z 1784 r. brytyjskiego księdza i geologa J. Michella dowodzącą możliwości istnienia gwiazd, których "... światło nie dociera do nas ...." W ten sposób okazało się, że na ten sam pomysł wpadło niezależnie dwóch uczonych.

Przedstawione przez Laplace'a i Michella rozumowanie nie jest poprawne, gdyż oparte jest na prawie powszechnego ciążenia Newtona. Problem ten trzeba rozpatrywać w oparciu o współczesną teorię grawitacji odkrytą przez A. Einsteina, zwaną powszechnie ogólną teorię względności, gdyż odwołujemy się do prędkości światła i bardzo silnych pól grawitacyjnych.

Rozważmy hipotetyczną, sferycznie symetryczną (gęstość zależy jedynie od promienia) planetę, którą ściskamy tak, aby jej masa nie uległa zmianie. Według Newtona dwukrotne zmniejszenie promienia spowoduje czterokrotne zwiększenie siły, zaś według teorii Einsteina siła wzrośnie trochę więcej. Gdy planeta zostanie ściśnięta tak bardzo, że grawitacja stanie się niezwykle silna wówczas różnica pomiędzy opisem Newtona a opisem Einsteina wzrasta drastycznie. Według Newtona siła wzrasta do nieskończoności gdy z promieniem planety zmierzamy do zera. Natomiast druga teoria przewiduje, że siła rośnie do nieskończoności, gdy promień tej planety zbliża się do tzw. promienia grawitacyjnego zwanego również promieniem Schwarzschilda (r_g=(2GM)/c²), gdzie M oznacza masę, G stałą grawitacji, a c prędkość światła w próżni. Dla Ziemi promień grawitacyjny wynosi około 1 cm, a Słońca około 3 km. Rozwiązanie równań Einsteina dla takiej hipotetycznej planety znalazł w 1915 r. K. Schwarzschild i jest ono słuszne dla dowolnie silnego pola grawitacyjnego. Później zdano sobie sprawę, że rozwiązanie Schwarzschilda opisuje czarne dziury. Kiedy nasza hipotetyczna planeta nie obraca się wówczas powierzchnia Schwarzschilda stanowi granicę czarnej dziury, którą fizycy określają horyzontem zdarzeń, spoza którego nic nie może wydostać się na zewnątrz.

A teraz problem prędkości ucieczki? Jaką prędkość należy nadać rakiecie, aby startując z powierzchni planety mogła oddalić się do nieskończoności w einsteinowskim opisie pola grawitacyjnego? Odpowiedź jest prosta: wzór podany przez Laplace'a jest taki sam jak w teorii Einsteina. Prędkość ucieczki staje się równa prędkości światła na powierzchni równej promieniowi grawitacyjnemu. Sferę o promieniu równym promieniowi grawitacyjnemu nazywamy sferą Schwarzschilda. Zgodnie z teorią Einsteina, światło ani jakakolwiek inna cząstka nie opuści ciała jeśli jego powierzchnia znajduje się pod sferą Schwarzschilda.

Czarne dziury najprawdopodobniej istnieją we Wszechświecie. W czasie wybuchu dostatecznie masywnej supernowej jej jądro może się skurczyć tak bardzo, że jego powierzchnia znajdzie się pod odpowiadającą jej sferą Schwarzschilda. Nie wiemy co dzieje się z materią jądra, gdyż do wnętrza czarnej dziury nie da się zajrzeć.

11 października 2002

Odpowiedź:

Prof. Włodzimierz Kluźniak:

"Średnia gęstość" czarnych dziur o masie około jednej masy Słońca jest rzeczywiście większa od gęstości gwiazd neutronowych lub gwiazd kwarkowych (jeśli takie istnieją). Ale dla czarnych dziur o masie około miliarda mas Słońca jest ona mniejsza od gęstości wody!

Dlaczego? Mówmy o czarnych dziurach, które się nie obracają, czyli są sferycznie symetryczne. Horyzont takiej czarnej dziury ma promień (Schwarzschilda) R, a dokładniej, obwód horyzontu to 2 pi R, a powierzchnia horyzontu to 4 pi R². Ten promień jest proporcjonalny do masy czarnej dziury i wynosi około trzech kilometrów na masę Słońca, czyli trzy miliardy kilometrów dla czarnej dziury o masie miliard razy większej od masy Słońca. Jeżeli uznać, że objętość czarnej dziury to (4 pi/3) R³, to średnia gęstość (czyli masa/objętość) jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu masy.

Wzór na promień Schwarzschilda to R = 2 M (G/c²), gdzie M to masa czarnej dziury, G - stała grawitacyjna, c - prędkość światła.

25 września 2002

Odpowiedź:

dr hab. Andrzej Woszczyna:

Hipoteza ciemnej materii nie opiera się na żadnej ze znanych teorii oddziaływań i w związku z tym nie można wskazać jednoznacznie kandydata (cząstki elementarnej), który by jej czynił zadość. Jak dotąd najbardziej prawdopodobne jest, że poza materią świecącą skupioną w gwiazdach, galaktykach, obłokach molekularnych obserwowanych radiowo i optycznie, istnieje materia barionowa (wodór, hel) rozproszona na tyle by nie zachodziły w niej reakcje jądrowe produkujące światło. Istnieje równolegle szereg bardziej egzotycznych koncepcji znakomicie poniżej statusu naukowego wymaganego od teorii fizycznej (statusu i rygoru poprawności jaki mają mechanika, elektrodynamika czy teoria względności).

Czarne dziury są natomiast jedną z najbardziej fascynujących konsekwencji ogólnej teorii względności. Nie da się ich obserwować bezpośrednio, ale na ogół tam, gdzie podejrzewamy ich istnienie znajdują się silne źródła promieniowania (promieniuje materia spadająca na czarną dziurę). Na to aby czarne dziury mogły pełnić rolę ciemnej materii musiałyby się znajdować w zupełnej próżni.

10 marca 2002

Odpowiedź:

dr hab. Leszek Sokołowski:

Pytanie jest tak ogólnikowe, że byłoby dziwne, gdyby dyskusja doprowadziła do sensownych konkluzji. Nie wiadomo bowiem, co rozumieć konkretnie przez "nieskończony Wszechświat". Dla przykładu, powierzchnia Ziemi jest skończona, może na niej żyć jednocześnie skończona liczba ludzi, Ziemia ma 4,5 mld lat, a człowiek pojawił się na niej niedawno, jest też wielce prawdopodobne, że za kilka mld lat Słońce tak się rozrośnie i powiększy swoją moc promieniowania, że Ziemia zostanie całkowicie wypalona, więc ludzkość albo zginie, albo będzie musiała się wyprowadzić poza granice Układu Słonecznego, najlepiej na planety w pobliżu innej, bardziej przyjaznej gwiazdy. Zatem liczba zdarzeń dotyczących ludzkości na Ziemi jest i będzie skończona, ale czy z tego wynika coś sensownego? Liczba zdarzeń dziejących się wokół nas jest tak wielka, że nie potrafimy przewidzieć przyszłości własnej, kraju czy ludzkości na parę lat, a co dopiero na dłużej. W tym sensie nie ma praktycznej różnicy miedzy "skończonością" a "nieskończonością". 

Przechodząc od człowieka i społeczeństwa do fizyki i astronomii, nieskończoność Wszechświata można rozumieć na dwa sposoby. Po pierwsze, Wszechświat może być skończony lub nie przestrzennie. Oznacza to, ze trójwymiarowa fizyczna przestrzeń jest albo nieskończona, tak jak nieskończona jest zwykła przestrzeń euklidesowa (tzn. istnieją w niej punkty, których wzajemna odległość jest równa dowolnej zadanej liczbie), albo też jest skończona, czyli ze istnieje w niej maksymalna odległość dwu punktów - tak jak skończona jest np. sfera, na której nie ma punktów bardziej od siebie oddalonych niż bieguny. Skończoność fizycznej przestrzeni nie oznacza wcale, ze poruszając się w niej natknęlibyśmy się na jakąś nieprzekraczalna granice. Przecież na powierzchni Ziemi - która jest skończona - możemy się poruszać swobodnie i żadna fizyczna granica nas nie zatrzyma.

Obecnie nie wiemy z pewnością, czy Wszechświat jest przestrzennie skończony czy nie. Najprostsza interpretacja obserwacji astronomicznych wskazuje na nieskończoność przestrzeni, lecz można dopuścić bardziej skomplikowaną (więc mniej prawdopodobną) ich interpretację, według której przestrzeń jest skończona (matematycy mówią wtedy, że jest "zamknięta") i trochę przypomina obwarzanek. Istnieje tu wiele teorii fizycznych, a ilość obserwacji astronomicznych jest ograniczona, wiec kwestia ta niestety nie zostanie szybko rozstrzygnięta. Przypuszczalnie jeszcze szereg pokoleń fizyków i astronomów będzie pracować nad tym zagadnieniem, które jest problemem sensownym i poznawczo doniosłym.

Po drugie, Wszechświat może być nieskończony w czasie, tzn. może trwać nieskończenie długo. Z teorii fizycznych, które są obecnie powszechnie uznawane wynika, że Wszechświat miał początek, że powstał w pewnym jednorazowym zjawisku fizycznym ponad 10 mld lat temu. Zjawisko to zwane jest Wielkim Wybuchem (po ang. Big Bang). Ze względu na kontekst pytania dodam od razu, narodziny Wszechświata w Wielkim wybuchu nie maja nic wspólnego z kreacjonizmem, nie oznaczają wcale stworzenia świata przez Boga. Wielki Wybuch jest tak samo zgodny z prawami fizyki jak zamarzanie wody czy świecenie żarówki, przez którą płynie prąd. W tym sensie narodziny Wszechświata w Wielkim Wybuchu ani nie zaprzeczają ani nie potwierdzają istnienia Boga i jego zainteresowania światem. O Panu Bogu można tu mówić tylko to, że stworzył takie prawa fizyki, by dopuszczały powstanie Wszechświata. Ale te kwestie wykraczają poza kompetencje fizyka i astronoma.

Obecnie większość badaczy ocenia, że Wszechświat ma około 13 mld lat. Jak długo będzie on istnieć? Te same obserwacje astronomiczne, które sugerują, że przestrzeń fizyczna jest nieskończona, sugerują też, że będzie trwać nieskończenie długo. Ale z podobnych powodów co poprzednio ten wniosek też nie jest pewny. Gorszą ewentualnością jest to, że Wszechświat zginie w zjawisku podobnym do Wielkiego Wybuchu (lecz przebiegającym wstecz w czasie) - w Wielkim Kresie (Big Crunch). Wszechświat, który od narodzin rozszerza się, czyli wszystkie galaktyki oddalają się od siebie, zacznie się w pewnym momencie kurczyć: galaktyki będą się do siebie zbliżać, zderzać, ściśnięte gwiazdy nagrzeją się do temperatur dużo większych niż te, przy których obecnie zachodzą reakcje termojądrowe w ich wnętrzach, aż w końcu cały Wszechświat zginie zgnieciony i rozpalony. 

Na szczęście, jeżeli to nas czeka, to najwcześniej za kilkadziesiąt mld lat. Nie ma wiec powodów do niepokoju.

5 marca 2002

Odpowiedź:

Prof. Bożena Czerny:

Tak. Hipoteza jej istnienia przewijała się już od pewnego czasu w literaturze, a najnowsze pomiary nie pozostawiają wątpliwości (pod jednym warunkiem, o którym później).

W szczególności w 1998 r. opublikowano (Ghez i in.) wyniki pomiarów prędkości gwiazd w pobliżu czarnej dziury, i w ten sposób, z prawa Keplera, wyznaczono masę centralną. Pomiar prędkości był dokonany dla ok. 90 gwiazd, które znajdowały się w odległości od ok. 0.01 ps do 0.1 ps od obiektu centralnego, a wykonany był dzięki pomiarowi przy pomocy 10-metrowego teleskopu Kecka zmian położeń gwiazd na przestrzeni kilku lat. Wynik: gwiazdy poruszają się wokół ciała o masie 2.6 milionów mas Słońca (błąd pomiaru ok. 10 %). Dokładność pomiaru wkrótce się polepszy, ponieważ na kilkanaście lat jedna z gwiazd dokona już pełnego obiegu wokół centralnej czarnej dziury.  Ten pomiar pokazuje, że istnieje obiekt centralny o tak dużej masie, nie święcący jasno (o czym poniżej) i mający promień wyraźnie mniejszy niż 0.01 pc. Nie jest to rozległa gromada gwiazd, ponieważ zmierzone prędkości gwiazd maleją z odległością od obiektu centralnego dokładnie w taki sposób, jak prędkości planet maleją z odległością od Słońca, co pokazuje załączony rysunek z pracy Ghez i in. (1998). Linia ciągła opisuje malenie prędkości zgodnie z prawem Keplera, a punkty to średnie prędkości gwiazd zmierzone w danej odległości. Jeśli teoria względności jest poprawna, to obiektem centralnym musi być czarna dziura. Jeśli kwestionować poprawność ogólnej teorii względności, to wiemy wtedy tylko, że obiekt jest bardzo masywny i nie święcący.

Dodatkowe ograniczenie wynika z najnowszych obserwacji satelity rentgenowskiego CHANDRA. Z okolic czarnej dziury dociera do nas słabiutkie promieniowanie, ale za to bardzo szybko zmieniające się - w ciągu 500 sekund jasność wzrosła sto razy. Takie zachowanie jest typowe dla czarnych dziur, na które spada trochę materii z przestrzeni międzygwiazdowej. Jasność zmienia się tak szybko, ponieważ sam obiekt jest stosunkowo mały jak na swoja masę (promień horyzontu czarnej dziury o takiej masie wynosi zaledwie 10 promieni Słońca!). 

6 lutego 2002