Crne rupe su objekti u svemiru s toliko mase zarobljene unutar njihovih granica da imaju nevjerojatno snažna gravitacijska polja. U stvari, gravitaciona sila crne rupe je toliko jaka da ništa ne može pobjeći kad jednom uđe unutra. Čak ni svjetlost ne može pobjeći od crne rupe, ona je unutra zarobljena zajedno sa zvijezdama, plinom i prašinom. Većina crnih rupa sadrži mnogostruku masu našeg Sunca, a one najteže mogu imati milijune solarnih masa.
Unatoč toj masi, stvarna jedinstvenost koja čini jezgru crne rupe nikada nije viđena ni zamišljena. To je, kao što riječ sugerira, sićušna točka u prostoru, ali ima puno mase. Astronomi mogu proučavati ove predmete samo nakon utjecaja na materijal koji ih okružuje. Materijal oko crne rupe formira rotirajući disk koji se nalazi izvan područja koje se naziva "horizont događaja", a to je gravitacijska točka bez povratka.
Struktura crne rupe
Osnovni "građevni blok" crne rupe je singularnost: točkasto područje prostora koje sadrži svu masu crne rupe. Oko nje je područje prostora iz kojeg svjetlost ne može pobjeći, dajući tako "crnu rupu". Vanjski "rub" ove regije je ono što čini horizont događaja. To je nevidljiva granica gdje je povlačenje gravitacijskog polja jednako brzina svjetlosti. To je također uravnoteženje gravitacije i brzine svjetlosti.
Položaj horizonta događaja ovisi o gravitacijskom povlačenju crne rupe. Astronomi izračunavaju mjesto horizonta događaja oko crne rupe koristeći jednadžbu Ra = 2GM / c2. R je polumjer singularnosti, G je sila gravitacije, M je masa, c je brzina svjetlosti.
Vrste crnih rupa i način na koji se formiraju
Postoje različite vrste crnih rupa i nastaju na različite načine. Najčešća vrsta poznata je kao crna rupa zvjezdane mase. Sadrže otprilike do nekoliko puta veću masu našeg Sunca, a formiraju se kad su velike glavni slijed zvijezde (10 - 15 puta veće od našeg Sunca) u svojim jezgrama ponestane nuklearnog goriva. Rezultat je masivan eksplozija supernove koji zvijezde razbijaju vanjske slojeve u svemir. Ono što je ostalo iza propada i stvara crnu rupu.
Dvije druge vrste crnih rupa su supermasivne crne rupe (SMBH) i mikro crne rupe. Jedna SMBH može sadržavati masu miliona ili milijardi sunca. Mikro crne rupe su, kao što i samo ime govori, vrlo malene. Mogli bi imati samo 20 mikrograma mase. U oba slučaja mehanizmi za njihovo stvaranje nisu posve jasni. Mikro crne rupe postoje u teoriji, ali nisu izravno otkrivene.
Otkriveno je da supermasivne crne rupe postoje u jezgrama većine galaksija, a o njihovom se podrijetlu još uvijek vruće raspravlja. To je moguće te supermasivne crne rupe rezultat su spajanja manjih, crnih rupa zvjezdane mase i drugih stvar. Neki astronomi sugeriraju da bi oni mogli biti stvoreni kada se jedna velika masivna (stotina puta veća od Sunčeve mase) zvijezde sruši. Bilo kako bilo, oni su dovoljno masivni da na mnoge načine utječu na galaksiju, u rasponu od utjecaja na broj zvijezda do orbite zvijezda i materijala u njihovoj blizini.
S druge strane, mikro crne rupe mogle bi se stvoriti tijekom sudara dviju vrlo visokoenergetskih čestica. Znanstvenici pretpostavljaju da se ovo događa neprekidno u gornjoj atmosferi Zemlje, a vjerojatno će se dogoditi tijekom eksperimenata fizike čestica na mjestima poput CERN-a.
Kako znanstvenici mjere crne rupe
Budući da svjetlost ne može pobjeći iz regije oko crne rupe zahvaćene horizontom događaja, niko zapravo ne može "vidjeti" crnu rupu. Međutim, astronomi ih mogu izmjeriti i okarakterizirati po učincima koje imaju na svoje okruženje. Crne rupe koje se nalaze u blizini drugih predmeta na njih djeluju gravitacijski. Kao jedna stvar, masa se također može odrediti po orbiti materijala oko crne rupe.
U praksi astronomi zaključuju prisutnost crne rupe proučavajući kako se svjetlost ponaša oko nje. Crne rupe, kao i svi masivni predmeti, imaju dovoljno gravitacijskog povlačenja da savije put svjetlosti dok prolazi. Kako se zvijezde iza crne rupe pomiču u odnosu na nju, svjetlost koju emitiraju će se pojaviti izobličena ili će se zvijezde kretati na neobičan način. Iz tih podataka može se odrediti položaj i masa crne rupe.
To je posebno vidljivo u klasterima galaksija u kojima je kombinirana masa klastera, njihova tamna tvar i njihova crne rupe stvaraju neobično lukove i prstenove savijajući svjetlost udaljenijih predmeta dok prolazi.
Astronomi mogu vidjeti i crne rupe od zračenja koje grijani materijal oko njih odaje, poput radio ili x zraka. Brzina tog materijala također daje važne tragove karakteristikama crne rupe iz koje pokušava pobjeći.
Hawking zračenje
Posljednji način na koji bi astronomi mogli otkriti crnu rupu je kroz mehanizam poznat kao Hawkingovo zračenje. Ime je dobio po glasovitom teorijskom fizičaru i kozmologu Stephen Hawking, Hawkingovo zračenje posljedica je termodinamike koja zahtijeva izlazak energije iz crne rupe.
Osnovna ideja je da će, zbog prirodnih interakcija i kolebanja u vakuumu, tvar nastati u obliku elektrona i anti-elektrona (nazvanog pozitroni). Ako se to dogodi u blizini horizonta događaja, jedna će se čestica izbaciti iz crne rupe, dok će druga pasti u gravitacijski bunar.
Promatraču je jedino što se „vidi“ čestica koja se emitira iz crne rupe. Činilo bi se da čestica ima pozitivnu energiju. To znači, simetrijom, da bi čestica koja je pala u crnu rupu imala negativnu energiju. Rezultat toga je da kako crna rupa stare, gubi energiju, i samim tim gubi masu (po Einsteinovoj poznatoj jednadžbi, E = MC2, gdje E= Energija, M= masa, i C je brzina svjetlosti).
Uredio i ažurirao korisnik Carolyn Collins Petersen.