Crne rupe

POJAM CRNE RUPE


Odakle im bas ovakvo ime? Jednostavno, ne vide se i gutaju sve sto im se nadje na domak ruke. Ovaj apstraktan pojam postoji kao mogucnost vise od dvesta godina. Prva osoba koja je o crnim rupama objavila studiju i to zasnovanu na Njutnovim zakonima bio je profesor sa Kembridza, Dzon Micel (John Michell) 1784. godine. On je istakao da zvezda koja je dovoljno masivna ima snazno gravitaciono polje kojim cak i svetlost savija ka sebi. Micel je smatrao da postoji veliki broj ovakvih zvezda, samo sto mi nismo u stanju da ih vidimo, jer svetlost sa njih ne moze doci do nas, posmatraca.
Francuski naucnik Laplas je, nezavisno od Micela, 1795. dosao na slicnu zamisao i izracunao da svetlosni zrak dovoljno masivne zvezde ne bi bio u stanju da napusti njenu povrsinu. Tada je napisao: "...prema tome, nije iskljuceno da najsvetlija tela iz toga razloga postanu nevidljiva...". Tu svoju ideju on je ukljucio samo u prvo i drugo izdanje svoje knjige "Sistem sveta", da bi je u ostalim izdanjima izostavio, verovatno smatrajuci je nebitnom.

Sto se tice samog termina, novijeg je datuma. Dzon Viler je 1969. godine na jednom seminaru u Njujorku imenovao ovu pojavu i prvi poceo da koristi termin "crna rupa" kao zamenu za "gravitaciono kolapsiranje zvezda" kako su je oslovljavali u engleskoj literaturi, dok je u ruskoj ovaj termin zamenio termin "zamrznuta zvezda". To je ocito imalo magican efekat, jer su svi ubrzo prihvatili taj termin, a i izmedju ostalog i u naucnoj fantastici...
Šta je to "crna rupa"?
Crna rupa je jedan od mogucih zvezdinih "ostataka" - ekstremno zakrivljena oblast prostor-vremena iz koga se, prema klasicnoj fizici, nista, cak ni svetlost, ne moze otisnuti zbog izuzetno velike sile teze, odnosno gravitacije. Mozda je to prazan prostor, mozda je to prava rupa u svemiru, a mozda je ona mesto koje je otseceno od ostatka svemira, a mozda ni same crne rupe, u stvari, ne postoje. Dokazano je da postoji mogucnost njihovog postojanja, ali nema dokaza da one zaista postoje, jer se golim okom ne mogu videti cak ni kad bi gledali kroz najbolji svetski teleskop, jer su jednostavno, nazovi, crne. A mozda su one plod maste dokonih fizicara...

Najjaci argument za postojanje crnih rupa je taj da ako verujemo u Veliki Prasak, onda moramo verovati i u crne rupe, jer su oni deo iste teorije. Crne rupe, kao i Veliki prasak, jedino imaju smisla ako se objasnjavaju kombinacijom Ajnstajnove opste teorije relativnosti i kvantne mehanike, gde Ajnstajnova teorija objasnjava pojave velikih razmera i potpuno je determinisana, a kvantna mehanika svet u malom koji sve objasnjava u okvirima verovatnoce, a ne tacno odredjenih vrednosti. Naucnici pokusavaju da dodju i do objedinjenja ove dve grane fizike, tzv. teorije svega (theory of everything) i da na taj nacin proniknu u mehanizam ovih nedovoljno objasnjenih stvari. Teorijom relativnosti je predvidjeno da kolaps zvezde vodi u jednu tacku, strucno receno, u singularitet. To je apstraktni pojam koji jos uvek nije dovoljno objasnjen. Ajnstajn nije prihvatao kvantnu mehaniku. Medjutim, posle njegove smrti razvoj fizike je otisao daleko u dubinu materije (mikro svet). Stiven Hoking je taj koji uvodi kvantne efekte u razmatranje gravitacionog polja...
Specijalna teorija relativnosti
Nastala je pocetkom XX veka. U sustini uopstava Njutnovu i Galilejevu, klasicnu, mehaniku. Postulati STR su:
1. Svi fiizicki zakoni izrazavaju se u istom obliku u svim inercijalnim sistemima referencije.

2. Brzina svetlosti je ista u svim inercijalnim sistemima.

Ova teorija obuhvata problem sinhronizacije i istovremenosti, cije objasnjenje pokazuje da je vreme relativno, odnosno razlicito za razlicite posmatrace. Svaki sistem ima svoje vreme. Zatim, vremenski interval izmedju dva dogadjaja koji se dese na istom mestu meren casovnikom koji miruje u tom sistemu uvek kraci od vremenskog intervala meren casovnicima u bilo kojem drugom sistemu. To je tzv. dilatacija vremena. Iz STR je potekao i famozni paradoks blizanaca. Kvantna mehanika u skladu sa STR daje kvantnu teoriju polja.

Opsta teorija relativnosti
Ovom teorijom Ajnstajn je potkrepio dva velika nedostatka STR. Prvo, u njoj se ne razmatraju neinercijalni sistemi, a drugo ne razmatra se gravitacija. Postulati OTR su :
1. Princip ekvivalencije - teska i inertna masa su medjusobno jednake, jer je ubrzanje svih tela u gravitacionom polju jednako. Ovaj princip ukazuje na to da se dejstvo gravitacionog polja moze eliminisati, barem lokalno. Takodje, ovaj princip Ajnstajn je prosirio i na ekvivalenciju energije i teske mase: E=m*c2

Eksperimantalne potvrde ovog postulata su skretanje svetlosti nekih zvezda u gravitacionom polju Sunca i smanjenje frekvencije svetlosti koju emituju zvezde, usled gravitacione interakcije emitovanog zracenja i date zvezde.

2. Opsti princip relativnosti - svi referentni sistemi su medjusobno ekvivalentni, a s tim vazi i da su svi fizicki zakoni invarijantni (nepromenljivi) u odnosu na proizvoljne transformacije koordinata (prostor-vreme).

Samo izracunavanje jednacina OTR je vrlo komplikovan i moze se izvesti samo primenom tzv. tenzorskog racuna. Znaci, Ajnstajn je zakljucio da prostor nije ravan, vec zakrivljen i da lokalnu zakrivljenost stvara prisustvo mase u svemiru. Shodno tome, tela se kroz zakrivljen prostor ne krecu pravolinijski, vec slede putanju najkraceg rastojanja izmedju polaznog i konacnog polozaja tela u kretanju. Te putanje se zovu geodezijske linije. To su krive bez granica. Ako je to tacno onda nema potrebe za silom gravitacije koja se prenosi trenutno, niti za objasnjenjem da su inercijalna i gravitaciona masa jednake.

Ajnstajn je ustanovio da materija odredjuje prostoru kako da se zakrivi, a prostor materiji kako da se krece, sto je bio nov nacin za opis gravitacije. Nema vise sila. On je Njutnovu gravitaciju zamenio zakrivljenim prostorom. Zakrivljenost prostora se moze demonstrirati modelom gumene mreze. Ako uzmemo rastegljivu gumenu mrezu, postavimo je horizontalno i preko nje pustimo da se kotrlja ping pong loptica uvidecemo da se guma nece deformisati, odnosno loptica ce se kretati pravolinijski. Medjutim, ako pustimo da se sa jednog kraja kotrlja djule, ono ce svojom tezinom upasti u mrezu i iskriviti je. Naucnici pokusavaju da ujedine OTR sa kvantnom mehanikom u kvantnu gravitaciju, koja bi trebala da objasni neke jos nerazjasnjene stvari (kao sto je npr. singularitet)

NASTANAK CRNIH RUPA (evolucija zvezda)

Crne rupe su jedan od mogucih poslednjih stadijuma evolucije zvezde tj. jedan od nacina kako ona zavrsava svoj zivot. Prostor izmedju zvezda nije prazan. Medjuzvezdani prostor ispunjavaju oblaci gasa ciji je glavni sastojak vodonik, i cestice prasine. Taj materijal nije pravilno rasporedjen u prostoru i skuplja se u pramenove pod dejstvom gravitacije. Gravitaciona sila je obrnuto proporcionalna kvadratu rastojanja izmedju dve cestice, a direktno proporcionalna proizvodu njihovih masa, sto znaci da sto je gusci oblak, veca je gravitaciona sila izmedju cestica (Njutnov zakon gravitacije). One pod dejstvom gravitacije nastavljaju da se sabijaju i pocinju da rotiraju oko svoje ose. To su protozvezde.
Pod dejstvom gravitacije, protozvezda se smanjuje postaje sve toplija. Kada dosegne dovoljno visoku temperaturu (od nekoliko miliona stepeni), u njenom centru pocinju termonuklearne reakcije u kome se vodonik pretvara u helijum. Masa helijumovog atoma je nesto manja od mase cetiri vodonikova atoma, sto govori o tome da masa odlazi u vidu energije. Oslobodjena enegrija tj. energija dobijena sagorevanjem goriva, moze se izraziti Ajnstajnovom jednacinom E=mc2 i ona predstavlja sijanje zvezde pri cemu se emituju elektromagnetni talasi svih talasnih duzina.

Zvezda izlazi na glavni niz HR dijagrama i pocinje da stari. Sve vreme svoga zivota na HR dijagramu zvezda je u ravnotezi, odnosno u nekakvom "metastabilnom" stanju. Situacija je pomalo analogna naduvanom balonu. Postoji ravnoteza izmedju pritiska koji pokusava da rasiri balon i napetosti gume koja tezi da smanji balon, odnosno, ka njenoj unutrasnjosti deluje gravitaciona sila, ali se njoj suprostavlja energija iz termonuklearnih reakcija tj. Fermijev pritisak. Sto je zvezda veca ona brze stari, tj. brze sagoreva gorivo, ali bez obzira na sve zivotni vek zvezde je uzasno dugacak, gde je rec o milijardama godina. Termonuklearne reakcije traju sve dok se sam vodonik ne istrosi, odnosno dok ne dodje do formiranje gvozdja koji je najstabilniji element u Univerzumu, jer tada vise nema sta u sta da se pretvara. Naravno, do formiranja gvozdja dolazi posle niza transformacija, jer iz vodonika nastaje deuterijum, pa helijum, pa C, N, O2 sve do Fe. U jednom trenutku Fermijev pritisak nece vise biti dovoljan za odbijanje gravitacije tako da citava zvezda pocinje polako da kolapsira.

Zvezde od 1,2 do 1,4 Sunceve mase zavrsice svoju evoluciju na stadijumu belog patuljka. Sav visak energije i mase oslobodice u vidu planetarne magline. Zvezde izmedju 1,4 i 2 Sunceve mase zavrsavaju kao neutronske zvezde, a one jos masivnije zavrsavaju kao crne rupe, odnosno zvezde sa masom iznad Candrasekarove granice ne mogu da se odrze na stadijumu neutronske zvezde vec svoje sazimanje nastavljaju. Sto je zvezda manja, gravitacija je sve veca. Neutronska zvezda ima drugu kosmicku brzinu od 2/3c, odnosno da bi cestica pobegla sa njene povrsine morala bi da se krece tom brzinom. Ako se materija i dalje kontrahuje, gravitacija raste i dolazi do nivoa kada se druga kosmicka brzina povecava na brzinu svetlosti ©. Kada se to dogodi vrednost precnika tela je jednaka Svarcsildovom radijusu, odnosno formira se crna rupa. Neutronske zvezde i crne rupe visak materije i energije oslobadjaju u vidu eksplozije supernove.

Procenjuje se da "samo" 2% zvezda kolapsiraju u crne rupe.