1. Crne jame
Gravitacija je početak i kraj zvijezda. Ona skuplja velike količine plina i prašine koji
se nalaze u međuzvjezdanim oblacima, sabija ih i ako imaju dovoljno mase,
započinje termonuklearne reakcije u njihovom središtu. Tada, milijune i milijarde
godina oni stvaraju energiju, toplinu i pritisak (koji je balans sili teže i drži zvijezdu u
stabilnom stanju). Kada su izvori energije u zvijezdi potrošeni, gravitacija nesmetano
počne sabijati zvijezdu. Zvijezde poput sunca se sabiju (smanje) i postanu bijeli
patuljci - s milijun puta većom gustoćom od vode, održani kvantnim silama između
elektrona. Ako je masa kolapsirajuće zvijezde veća od 1.44 sunčevih masa,
gravitacija prevlada kvantne sile i zvijezda doživi daljini kolaps, te postane
neutronska zvijezda, milijun puta veće gustoće od bijelog patuljka, održana kvantnim
silama između neutrona. Energija oslobođena u tom kolapsu rasprši vanjske slojeve
zvijezde, stvarajući eksploziju supernove. Ako je masa kolapsirajuće zvijezde veća
od tri Sunčeve, nema te sile koja ju može spasiti od potpunog kolapsa u crnu jamu.
Što je to crna jama ?
Crna jama je regija svemira u kojemu je gravitacijska sila tako jaka da joj ništa ne
može pobjeći. To je jama u smislu da stvari mogu upadati u nju, ali ne mogu izaći.
"Crna" je u smislu da čak niti svijetlost ne može pobjeći. Drugim riječima, crna jama
je objekt sa kojega je brzina potrebna da ga napustite veća od brzine svjetlosti -
krajnje granice brzine u Svemiru.
Godine 1783. britanski astronom Rev. John Mitchell je shvatio da iz Newtonovih
zakona gravitacije i gibanja proizlazi da, što je masivniji objekt to je potrebna veća
2. brzina da ga napustite. On je shvatio da kada bismo mogli nekako napraviti nešto što
je 500 puta veće od Sunca, ali sa istom gustoćom, čak se niti svjetlost ne može gibati
dovoljno brzo da pobjegne sa tog objekta, pa stoga taj objekt ne bi bio niti vidljiv.
Međutim, trebala nam je Einsteinova teorija relativiteta i moderna teorija gravitacije
da bi astronomi i fizičari shvatili pravu prirodu i karakteristike crnih jama. Granica crne
jame naziva se horizont događaja jer sve što se događa unutar njega, sakriveno je
od pogleda izvana. Astronom Karl Schwarzschild pokazao je da radijus horizonta
događaja za zvijezdu mase jednake Suncu iznosi 3 km; taj radijus se naziva
Schwarzschildov radijus. Horizont događaja je jednosmjerni filtar u crnu rupu; bilo što
može ući, ali ništa ne može izići.
Sl 2. Horizont događaja, ispod i iznad njega
Graphics: Tomislav Štimac
Crna jama je jako jednostavan objekt. Ima samo tri osobine: masu, spin (okret) i
električni naboj. Obzirom na koji naćin nastaju crne jame, njihov električni naboj je
vjerojatno nula, što ih čini još jednostavnijima. Sastojci materije u crnoj jami nisu
poznati, što zbog činjenice da je sakrivena od vanjskog svemira, što zbog činjenica
da bi materija u teoriji trebala kolapsirati do radijusa nula, točke koju matematičari
zovu singularitet, beskonačne gustoće - nešto što ne možemo iskusiti na Zemlji. Crne
jame se teorijski karakteriziraju u tri različite veličine: male ("mini"), srednje i velike
("supermasivne"). Postoji velik dokaz da srednje-velike crne jame nastaju kao ostatak
masivnih zvijezda koje kolapsiraju na kraju svojeg životnog ciklusa, a da
3. supermasivne crne jame postoje u središtima mnogih galaksija - vjerojatno
uključujući i našu vlastitu.
Mini crne jame
Crna jama s masom manjom od tri Sunčeve mase ne bi nastala pod vlastitim
kolapsom; njena gravitacija je pre slaba da bi uzrokovala kolaps. Bio bi potreban
enormni pritisak izvana da se stvori "mini crna jama". Godine 1971. astrofizičar
Stephen Hawking je razvio teoriju da je u gustoj žestini Velikog Praska koji je stvorio
svemir, takav enormni pritisak postojao i mnogo mini crnih jama se je formiralo. One
bi bile masivne poput planina ali malene poput protona koji čine atome. Imali bi još
jedno neobično svojstvo: kao rezultat kvantne mehanike koja vlada sitnim česticama
u svemiru, one bi spontano zračile energiju i nakon milijardi godina vjerojatno isparile
u silnoj eksploziji. Kako slijedi, mini crne jame možda ne bi bile potpuno "crne" i to je
svakako zanimljiva mogućnost. Ne postoji opservacijski dokaz o postojanju mini crnih
jama, ali u principu, moglo bi bitni takvih objekata raspoređenih po Svemiru, možda
čak i pored našeg Sunčevog Sustava.
Sl 3. Teoretski: gravitacijska leća kao jedna od metoda detekcije
(za ovakav prizor valjalo bi se jako približiti crnoj jami).
Graphics: Tomislav Štimac
Kako "vidjeti" crnu jamu ?
Možemo se pitati, kako se crna jama može vidjeti ako čak niti svjetlost ne može
pobjeći s nje. Crne jame imaju masu, koja stvara gravitacijsku silu a ona stvara
4. efekte oko sebe. Ta gravitacijska sila bi bila veoma jaka pored crne jame i mogla bi
imati zamjetljiv utjecaj na svoju okolinu. Materijal koji bi padao na crnu jamu bi dobio
energiju od gravitacijske sile i bio bi zgnječen i ugrijan dok bi pokušavao da se stisne
u usko grlo crne jame, pritom emitirajući (rendgenske) x zrake. Prvi primjer crne jame
je otkriven po takvom gravitacijskom efektu na obližnju zvijezdu.
Cygnus X-1 bilo je ime dodijeljeno izvoru x-zraka u zviježđu Cygnus, koji otkriven
1962. godine sa primitivnim "x-ray" (rendgenskim) teleskopom montiranim na raketi.
Do godine 1971. lokacija tog izvora x-zraka na nebu je bila još preciznije izmjerena,
koristeći raketu i satelitsko promatranje. Glavni proboj informacija dogodio se je u
Ožujku 1971. godine, kada je novi izvor radio valova otkriven u Cygnus-u, pored
pozicije izvora x-zraka. Radio signal je varirao u isto vrijeme kada je varirala i jačina
x-zraka i to je bio velik dokaz da su izvori radio i x-zraka jedan te isti objekt.
Slabo vidljiva zvijezda po imenu HDE 226868 nalazi se na poziciji tog radio izvora.
Astronomi su proučavajući svijetlo zvijezde HDE 226868 otkrili dvije važne činjenice:
1) HDE 226868 je plavi superdiv - masivna normalna zvijezda pri kraju svojeg
životnog vijeka 2) tu zvijezdu obilazi jedan masivni objekt u orbiti koja traje 5.6 dana.
Iz gravitacijske sile potrebne da održi HDE 226868 u orbiti, moguće je odrediti masu
prateće zvijezde - ona iznosi 10 Sunčevih masa. Međutim taj prateći objekt ne
pokazuje ni najmanju količinu vidljivog svijetla - i nešto u tom objektu proizvodi x-
zračenje. Objašnjenje ili model koji najbolje objašnjava ove činjenice je taj da je
prateći objekt zapravo crna jama, mase oko 10 Sunčevih - dakle ostatak masivne
zvijezde koja je nekada bila pratioc HDE 226868. X-zrake nastaju kada plin iz
atmosfere plavog superdiva pada na kolapsirani objekt i tada dolazi do njegovog
zagrijavanja. Kolapsirani objekt ne može biti bijeli patuljak ili neutronska zvijezda, jer
ti objekti ne mogu imati mase veće od 1.44 Sunčeve odnosno 3 Sunčeve za
neutronsku zvijezdu. Mi vjerojatno nikada nećemo biti u stanju dokazati ovu teoriju
Cygnusa X-1 tako da "vidimo" crnu rupu, ali podrobni dokazi su jaki. Tri druga objekta
- LMC X-3 u Velikom Mageljanovom Oblaku, A0620-00 i V404 Cygni u našoj galaksiji
se također smatraju da imaju crne rupe za pratioce.
5. Sl 4. Mlaz X-zraka iz Centaurus A galaksije
Credit: X-Ray image: NASA/ CXC/ SAO
Optical image: AURA/ NOAO/ NSF
Super-masivne crne jame
Prije četvrt stoljeća, astronomi su otkrili udaljene i rijetke objekte koji su proizvodili
neobično velike količine energije u neobično malom volumenu - snaga triljona Sunca
u volumenu ne većem od našeg Sunčevog Sustava. Ti objekti su nazvani kvazi
stelarni radio objekti - kvazari. Ukratko - zbog toga što su izgledali kao zvijezde ali su
proizvodili velike količine radio valova kao i svjetlosti. Astronomi su također shvatili,
iako su kvazari bili rijetki, da postoji dosta drugih objekata koji (očito galaksije) su
pokazali nešto slične, ali manje ekstremne verzije sličnog fenomena: veoma velika
snaga iz veoma malog volumena. Ti objekti zajedno su dijelili neobično svojstvo:
Mlazovi visoko-energetskih čestica izlijetali su iz njihovih jezgri. Ta svojstva bilo je
jako teško objasniti koristeći znanje fizike tadašnjeg vremena, pa su astronomi čak
postavili pitanje dali je fizika uopće točna. U godinama poslije, astronomi su shvatili
da postoji objašnjenje za te aktivne jezgre galaktika koje je u skladu sa
promatranjima i teorijom - iako to objašnjenje pomuti čovjeku pamet: u jezgri tih
galaksija postoje supermasivne crne jame s masom milijuna i milijardi Sunčevih.
6. Veličina horizonta događaja bila bi otprilike velika kao naš Sunčev Sustav. Snaga
promatranih mlazova koji se javljaju može se objasniti ako godišnje u crnu jamu
upadne materijal mase ekvivalente našem Suncu - dakle količina materijala koja bi
mogla jednostavno doći od "vjetrova" plina stvorenih od zvijezda blizu jezgre.
Mlazovi čestica u jezgri aktivne galaksije nastaju od materijala koji u spirali obilazi
crnu jamu i biva zgnječen na vrhu i dnu diska kada pokuša ući u crnu rupu. Ovo
objašnjenje "motora" jezgre aktivne galaksije je dobilo potporu od slika koje je dao
Hubble Svemirski Teleskop.
Sl 5. Centaurus A: X-zrake iz aktivne galaksije
Credit: R.Kraft (SAO) et al., CXO, NASA
Kako nastaje super-masivna crna jama ? Neke teorije drže da je prva generacija
zvijezda uključivala i jako masivne zvijezde, koje su se kasnije pretvorile u crne jame
i nekako spojile. Druge teorije kažu da su pojedinačne "izvorne" crne jame privukle
zvijezde i plin, rastući i postajući sve masivnije i masivnije.
Postoje dokazi da super-masivna crna jama postoji u središtu mnogih galaksija,
uključujući i naš Mliječni Put te susjednu galaksiju Andromedu (poznatu kao M31).
7. Postoje također dokazi o tome da se super-masivne crne jame formiraju dosta rano u
razvoju galaksije: Vidimo kvazare koji se nalaze toliko daleko da je njihova svijetlost,
putujući brzinom od 300 000 kilometara/sec, morala napustiti te objekte vrlo brzo
nakon što su formirani. Super-masivna crna jama stoga mora biti normalan dio
procesa stvaranja i evolucije galaksije.
Crne jame i znanstvena fantastika
Pojam, apsurdan poput crnih jama prirodno privlači interes i kreativnost pisaca
znanstvene fantastike. Najomiljenija tema je korištenje crne jame kao staze za
dospjeti u neki drugi dio svemira. Matematički gledano, par crnih jama mogao bi
stvoriti most između dvije lokacije u svemiru, ali nije baš jasno kako bi taj most
mogao opstati. Crna jama, koja nastane iz zvijezde bi bila nepouzdana za putovanje,
jer materija koja bi padala na nju bila zgnječena i spaljena uslijed plimnih sila kada bi
ušla u crnu jamu. Super-masivna crna jama bi imala nešto manje plimne sile ali
najbliža takva nalazi se u galaktičkom središtu, a to je poprilično daleko. Rotirajuća
crna jama ima nešto više zanimljivih mogućnosti jer kod nje postoji dio zvan
ergosfera, odmah izvan horizonta događaja koji ima sljedeće svojstvo - objekti mogu
ići i izići iz ergosfere (naravno ako uspiju izdržati enormne plimne sile). Svemirski
brod pun smeća mogao bi ući u ergosferu, baciti teret u crnu jamu, te izaći iz crne
jame i to sa više energije nego što je imao kada je ušao u nju - iz toga dobivamo
rješenje energetske krize i problem zagađenja u isto vrijeme (barem u teoriji)!.
8. Umjetnička koncepcija Cygnus X-1 sistema. HDE 226868 je masivna plava
superdivovska zvijezda; njen pratioc je najvjerojatnije crna jama, okružena
akcesijskim diskom plina koji dolazi od HDE 226868 i spiralno pada prema crnoj jami.
Zvijezda i crna jama su u orbiti jedna oko druge. Postojanost crne jame zaključena je
upravo iz orbitalnog gibanja zvijezde i iz x-zračenja stvorenog od plina u akcesijskom
disku koji se zagrijava kako pada na crnu jamu. (Crtež: William J. Kaufmann III,
Universe, W.H. Freeman & Company, 1991.).
Mitovi o crnim jamama
MIT: Sve zvijezde kada dozive kraj kolapsiraju i postanu crne jame.
ISTINA: Samo neke, masivne zvijezde (jedna na milijun) završe tako.
MIT: Crna jama u svemiru bi progutala sve u našoj galaksiji.
ISTINA: Prazan prostor između zvijezda toliko je velik da crna jama
ne bi utjecala niti na jedan objekt sem onih u neposrednoj blizini.
MIT: Crna jama u Cygnus X-1 sistemu proždire plavog superdiva.
ISTINA: Manje od tisučine mase plavog superdiva će pasti na crnu jamu
prije nego i on doživi kraj, otprilike milijun godina od sada.
MIT: Materija koja pada u crnu jamu pojavljuje se negdje drugdje u svemiru.
ISTINA: Materija ostaje u crnoj jami; zapravo baš je materija u crnoj
jami ta koja stvara gravitacijsku silu po kojoj ju otkrivamo.
MIT: Gravitacija crne jame se razlikuje od gravitacije normalnih objekata.
9. ISTINA: Kada bi se Sunce odjednom pretvorilo u crnu jamu (iako to nije
moguće zbog nedovoljno velike gravitacije koja je pre slaba da dođe do
urušavanja Sunca u sebe), Zemlja i planeti bi nastavili svoje kruženje
najnormalnijim tokom. Pa ipak, Zemlja bi izgubila izvor topline i svjetla.
MIT: Crne jame su jako guste.
ISTINA: Male i srednje crne jame su jako guste, ali super-masivne crne
jame s masom od 100 milijuna Sunaca, imale bi gustoću kao voda. (To se
može saznati iz mase crne jame i radijusa horizonta događaja; to podrazumijeva
da sva materija bude raspoređena i po horizontu događanja a ne samo u
singularitetu).
Daljnja literatura o crnim jamama:
• Black Holes, an information packet prepared by the A.S.P., containing
reprints of articles, and a reading list.
• Kaufmann, W.: Black Holes and Warped Spacetime. 1979, W.H. Freeman &
Sons. A brief, non-technical overview
• Parker, B.: ``In and Around Black Holes'' in Astronomy, Oct. 1986, p.
6. A non-technical article describing the fascinating properties of
black holes.
• Shipman, H.: Black Holes, Quasars and the Universe, 1980, Houghton
Mifflin. A somewhat more advanced book, giving an excellent account of
how modern astronomical research is done.
• Thorne, K.: ``The Search for Black Holes'' in Scientific American,
Dec. 1974, p 32. A superb, classic semi-technical article
Znanstvena fantastika sa interesantnim i dosta točnim opisima crnih jama:
• Niven, L.: A Hole in Space, 1974 Ballantine
• Niven, L.: Neutron Star, 1968 Ballantine
• Pournelle, J.: Anthology of Black Holes, 1978 Fawcett
