Tehnocultura SciCast 004 – Găurile negre + [show notes]

Tehnocultura SciCast 004 a fost înregistrat duminică, în data de 8 mai 2016, în Londra, Marea Britanie.

Subiectul principal al acestui episod: găurile negre.

Audio podcast pe iTunes:
https://itunes.apple.com/ro/podcast/tehnocultura/id929951093?mt=2

Video pentru găuri negre:

Găurile negre sunt stele masive în ultimul stadiu al vieții lor. Dacă o stea are cel puțin 10 mase solare atunci va avea un final exploziv, supernova, prin care va expulza o mare parte din materia sa în spațiul înconjurător. Apoi, sub acțiunea gravitației, aceasta se va comprima într-un spațiu extrem de mic rezultând un corp cosmic cu densitate extrem de mare care este gata să înghită planete, gaz interstelar și chiar alte stele.

Găurile negre au asemenea gravitație încât, dacă treci de orizontul evenimentului, limita dincolo de care nimic nu se mai poate întoare, atunci nici măcar lumina nu poate scăpa. Teoretic, dacă ai comprima orice obiect suficient de mult ai obține o gaură neagră. Pâmântul ar trebui comprimat într-un volum cât o cireașă pentru a deveni gaură neagră iar Soarele într-o sferă de 1-2 km. Totul depinde de raza Schwartzschild (Karl Schwarzschild, 1916) a fiecărui obiect cosmic, rază ce depinde strict de masa acelui obiect.

Nu trebuie să te sperii, găurile negre nu sug materia din jur. Ele nu acționează ca un aspirator, ci mai degrabă ca o simplă gaură în asfalt. Așteaptă ca cineva să nimerească în acea zonă. Dacă am face o gaură neagră din planeta noastră influența gravitațională ar fi aceeași, adică am putea gravita la distanța de 6700 de km de centrul ei, cam pe unde se învârte Stația Spațială Internațională, și vom fi feriți de pericol.

Cei de la ASAP Science pe Facebook au publicat o imagine cu istoria vieții unei stele. Nimic mai clar și mai concis legat de viața unei stele. În funcție de mărimea stelei inițiale se va trece prin faze diferite și va ajunge la rezultate diferite, fie pitică albă, dacă steaua este de mărime comparabilă cu Soarele, fie o stea neutronică sau o gaură neagră, dacă a fost mult mai mare decât Soarele.

Se pornește de la o nebuloasă stelară, o mulțime de praf strâns la un loc, apoi acel praf se comprimă și se creează o stea. Dacă steaua este mai mică decât 10 mase solare, atunci va fi o stea obișnuită, pe cum este a noastră, apoi va deveni o gigantă roșie, în a doua parte a vieții, apoi va arunca o bună parte din materia din componența sa către exterior și va deni o nebuloasă planetară, urmând a se contracta și a deveni o pitică albă.

Dacă steaua va fi mai mare de 10 mase solare, atunci va fi numită stea masivă, va ajunge să devină o supergigantă roșie în a adoua parte a vieții, va exploda într-un mod violent (supernovă) și apoi va deveni o stea neutronică sau o gaură neagră (poate chiar un quasar), dacă steaua originară a fost foarte foarte mare.

Termenul de „gaură neargă” a fost folosit pentru prima dată în 1964 de către jurnalista Ann Hewing în articolul „Găuri negre în spatiul cosmic” publicat în 18 ianuarie 1964. Articolul era un sumar al reuniunii Asociației Americane pentru DEzvoltarea Științei.

Primul care să vorbească despre ceea ce ar putea fi o gaură neagră a fost John Michell într-o scrisoare trimisă la Societatea Regală a Angliei și adresată lui Henry Cavendish în 1783. În acea scrisoare John Michell îi spunea lui Cavendish că dacă ai avea o stea cu raza de 500 de ori mai mare decât a Sarelui, atunci ai vedea că un corp care cade către acea stea de la o distanța infinită va avea la contactul cu steaua o viteză mai mare decât cea a luminii. Altfel spus, dacă ai avea un asemenea corp ceresc, atunci lumina nu ar putea evada din interiorul său.

Ideea aceasta nu a fost acceptată pentru că se considera că lumina nu are masă și că nici un câmp gravitațional nu poate influența traiectoria luminii. Einstein a fost cel care a schimbat aceasta percepție în 1915 când, odata cu publciarea Teoriei Generale a Relativitătii, el a explicat faptulc ă spatiu-timpul sunt curbate d eprezența masei și că lumina urmează traiectorii curbe în acest spatiu-timp curbat.

Apoi, prin 1916 Karl Schwarzschild a folosit ecuațiile lui Einstein pentru a explica, teoretic, existența unor corpuri de genul găurilor negre și astfel a creat ecuația care determină ceea ce știm azi ca fiind raza Schwarzschild, raza minimă pentru care un corp de masă m generază un câmp gravitationat într-atât de mare încât nici lumina nu poate evada. Formula pentru o asemenea rază este r = 2GM/c^2.

După aceea a urma era de glorie a Teoriei Relativității Generale și a găurilor negre. Prima gaură neargă descoperită a fost în 1971 și era în sistemul Cygnus X-1/HDE 226868. De atunci și până azi s-au făcut multe observări directe a materiei din jurul găurilor negre din Univers și a stelelor care gravitează găurile negre. Sagitarius A* este gaura neargă supermasivă din centrul galaxiei noastre iar astronomii urmăresc adesea cum gravitează stelele în jurul acestei găuri negre încă din 1995.

Se știu azi patru categorii de găuri negre: supermasive (zeci de mii până la miliarde de msae solare), intermediare (sute de mase solare), stelare (zeci de mase solare), micro-găuri negre (mae mai mici decât cea a Lunii și cu raze mai mici de 0.1mm – se evaporă în 10^-25 secunde -LHC/raze cosmice, speculativ). Se știe că există găuri negre statice, altele care se rotesc și altele care au sarcini electrice. O gaură neargă are una sau mai multe dintre următoarele proprietăți pe lăngă masă: sarcină electrică și moment de rotație.

Orizontul evenmentului, acea zona de care, dacă treci, nu te mai poați întoarce, are formă sferică pentru gaurile negre ne-rotative și este puțin bombată la poli pentru gaurile negre care se rotesc.

Găurile negre rotative au în jurul lor o ergosferă, o zonă bombată în interiorul căreia orice ai pune, este pus în mișcare de rotație în jurul găurii negre.

Prin 1974 Stephen Hawking a prezis că găurile negre se pot evapora într-un timp extrem de lung prin eliberarea de radiație Hawking, practic unde electromagnetice cu energii extrem de mici. Cu cât o gaură neargă este mai mică, cu atât evaporarea are loc mai repede și cu energii mai mari. Tocmai de aceea o gaură neargă de masa unui om sau a unei mașini s-ar evapora în miliardimi de miliardimi de mialiardimi de secundă. În acest timp o asemenee micro grauă neagră ar emite energie într-atât de multă încât ar fi de 200 de ori mai luminoasa decât Soarele pentru timpul extrem de scurt în care a existat.

Prin 2012 am avut ocazia să particip la celebrarea a 50 de ani de când ESO – European Southern Observatory – a fost înființat. Acolo l-am întâlnit pe Joe Liske, membru al echipei proiectului științific ELT, cel mai mare telescop optic/IR din lume pe cale a fi construit, și prezintă filmele educative ESOcast. Cum am avut ceva minute la dispoziție l-am întrebat pe Joe Liske câteva lucrui despre găurile negre.

Una este să vorbești despre un subiect din ce ai citit și alta este să poți transmite chiar din gura unui om de știință. Iată ce mi-a zis despre gaurile negre:

Poți cădea într-o gaură neagră, dar durează foarte mult până ajungi să o atingi efectiv. Conform Relativității Generale a lui Einstein, timpul se dilată tot mai mult cu cât te apropii de centrul de gravitație al unui obiect (motiv pentru care timpul trece mai repede pentru sateliții GPS și de aceea au ceasuri atomice pentru corecții de timp).
Găuri negre ar putea fi făcute din orice, condiția principală fiind aceea de a comprima materia într-un spațiu suficient de mic. Planeta noastră ar trebui compresață într-un volum de mărimea unei cireșe pentru a se crea o gaură neagră.
Dacă am face o gaură neagră din Terra și am lăsa-o tot în acest spațiu ar avea același efect gravitațional ca în momentul în care planeta exista. O gaură neagră poate fi considerat ca orice corp ceresc care afectează orbitele corpurilor din jur în funcție de masa pe care o are.
O gaură neagră care să aibă masa Soarelui ar măsura 1-2 km în diametru.
Găurile negre au o zonă din care nu poți scăpa de fel: orizontul evenimentului. E distanța peste care ești în siguranță. Dacă treci de acea zonă e game over. Asta înseamnă că ai putea trece pe lângă o gaură neagră și, dacă are masa Terrei de exemplu, va trebui să fii în stare să scapi de atracția gravitațională a unei planete ca Terra pentru a nu ajunge în gaura neagră. Pentru un călător spațial ar însemna un efort chiar foarte mic.
Dacă ai reuși să faci o gaură neagră dintr-o mașină și ai arunca-o pe stradă, surpriză, tot Pământul ar ajunge să fie înghițit de gaura neagră. În teorie, o gaură neagră poate consuma oricât de multă materie îi oferi. Nesătula!
În centrul galaxiei noastre se află o gaură neagră supermasivă care ține galaxia la un loc.
Un lucru ciudat este că oricât de puternice sunt găurile negre din centrul galaxiilor atracția lor gravitațională se întinde numai pe câteva zile-lumină și nu acoperă acei ani lumină pe care galaxiile îi au. Misterul de deslușit este cum de poate o gaură neagră să mențină la un loc o galaxie cu atât de puțin efort.
ELT va fi unul dintre instrumentele care va ajuta la găsirea unor răspunsuri în acest domeniu.

Există destule documentare despre găurile negre și se presupune că fiecare galaxie are găuri negre în centrul acesteia, fiecare asemenea gaură neagră având de la mii la milioane de mase solare, cum este în galaxia NGC 1277. Unele găuri negre au chiar și 17 miliarde de mase solare și orizontul evenimentului lor ocupă un spațiu de 11 diametre egale cu orbita planetei Neptun.

Un lucru ce trebuie ținut minte este faptul că deși curbura spațiu-timp este infinită (singularitate), acolo nu ai densitate infinită și nici gravitație infinită, așa cum zice în filmul de mai sus. La fel, se pare că nu poți cădea într-o gaură neagră.

Adică, datorită gravitației extrem de mari timpul este dilatat atât de mult (Relativitatea Generală a lui Einstein) încât ai putea zice că durează o infinitate de timp să ajungi în interiorul găurii negre. Ok, termenul de interior se pare că este folosit în mod neconstructiv datorită faptului că matematica/fizica nu au explicații legat de ceea ce se petrece dincolo de orizontul evenimentului. Pe scurt: o gaură neagră nu are interior.

Unul dintre instrumentele care ne-a ajutat să vedem acești monștri ai Universului este Telescopul Hubble. Strângând și cei mai mici fotoni pierduți de prin Univers Hubble este în stare să vadă cum arătau galaxiile în urmă cu miliarde de ani. Noi ne uităm mereu în trecut: când vedem Luna, o vedem cum era acum o secundă iar când ne uităm în camera noastră noi vedem cum a fost totul în urmă cu 8 milisecunde (calculând și timpul de transmitere a impulsului electric de la ochi la creier).

–-

Anumite găuri negre sunt atât de luminoase încât strălucesc mult mai tare decât întreaga galaxie în care există. Acestea sunt numite farurile universului sau quasari. Un asemenea exemplu este 3C 273 care este de 4 mii de miliarde de ori mai strălucitor decât Soarele și are o magnitudine de -26.7. Ce înseamnă asemenea strălucire? Dacă pui quasarul 3C 273 la o distanță de 33 de ani lumină de noi, atunci va lumina la fel de tare ca Soarele, care este la numai 0.0015% distanță dintr-un an lumină. Disntața de 150 de milioane de kilometri ar fi o distanță de 21 miliarde de ori mai mică decât acei 33 de ani-lumină.

Ce face ca acei quasari să fie așa de luminoși? Cum pot fi găurile negre luminoase? Ei bine, atunci când materia cade înspre gaura neagră aceasta orbitează întâi în jurul găurii negre. În timp ce orbitează la viteze mari au loc frecări între moleculele diferitelor elemente și se emite energie sub formă de lumină sau căldură. De obicei materia se va organiza în jurul găurii negre sub forma unui disc de acreție, zonă situată chiar la ecuatorul găurii negre. Acel disc de acreție se formeză pentru că inclusiv gaura neagră se rotește în jurul axei sale, uneori de mii de ori pe secundă.

În plus, datorită vitezelor extreme la care orbitează materia în timp ce cade spre gaura neagră, energiile mari generate dau naștere și unor jeturi de materie încărcată cu energie. Acele jeturi de materie pot fi văzute și în primul film din acest articol.

Lucru interesant: găurile negre nu numai că accelerează materia la viteze enorme și emite, astfel, jeturi încărcate energetic, dar este posibil să genereze și radiație Hawking. Radiația Hawking este un termen inventat de fizicianul englez Stephen Hawking în 1974 prin care explică faptul că găurile negre pot pierde energie de-a lungul a multor ani de zile. Cam câți ani? Cam 10^71 M^3 secunde ori cel puțin 3^64 ani sau 3^55 de miliarde de ani, M fiind număruld e mase solare.

Radiația Hawking este explicată mai jos: este vorba de faptul că vidul nu este un loc unde energia este zero. Vidul cosmic este definit ca locul unde energia este minimă. La nivel cuantic apar perechi de particule-antiparticule care dispar instantaneu. Acestea sunt numite particule virtuale.

Hawking a lansat ipoteza că, dacă aceste particule apar în zona orizontului evenimentului și una din cele două cade în gaura neagră, atunci cealaltă este liberă să zburde în Univers. Se va considera, așadar, că particula ce a căzut în gaura neagră are energie negativă și, după suficient de mulți ani, acea energie negativă acumulată va duce la distrugerea găurii negre. După cum ai văzut, dacă o asemenea ipoteză este reală, atunci găurile negre ar putea avea o viață de cel puțin 3^55 de miliarde de ani.

Așa cum fiecare galaxie are o gaură neagră super-masivă în centrul ei, chiar și Calea Lactee are un așa centru: Sagittarius A*.

Așadar, găurile negre nu numai că înghit materie, ele țin și galaxiile în picioare. În plus, ele luminează ca un far, cazul quasarilor, și chiar pot ajuta la crearea de stele noi. Cum așa? Încă de prin 2005 se știa faptul că quasarul HE0450-2958 (wikipedia) creează jeturi de materie foarte puternice materie care este propulsată către o galaxie învecinată. Ajuns acolo jetul de materie încărcată energetic determină gazul interstelar să formeze centre de gravitație și duce apoi la concentrarea a cât mai multor asemenea nori de gaz interstelar într-o zonă suficient de mică.

Odată ce avem suficient de mult gaz interstelar la un loc gravitația preia controlul și o stea nouă este pe cale a fi creată. În acest fel gaura neagră HE0450-2958, numit și „quasarul gol” pentru că nu are nicio o galaxie în jur, înghite materie într-o parte pentru a crea o stea în altă parte.

Casey Kazan, de la Daily Galaxy, raporta în 2009 că HE0450-2958, deși nu are stele în jurul său, se află la 22 000 de ani-lumină de galaxia către care trimite jetul de materie. Acel jet ajută la crearea a 350 de noi stele pe an, o viteză de creare a stelelor nemaiîntâlnită în alte galaxii. La un moment dat quasarul HE0450-2958 se va întâlni cu galaxia vecină și va fi înconjurat de stelele la a căror creare a ajutat cu jetul său de materie.

David Merritt et al. au analizat acest quasar de aproape în 2005 și au ajuns la concluzia, în lucrarea intitulată The nature of the HE0450-2958 System ( DOI: 10.1111/j.1365-2966.2006.10093.x | PDF ) că nu se poate stabili exact că acest quasar este gol, dar se știe sigur că nu provine din galaxia companion către care aruncă jetul de materie. et al, înseamnă „și colegii”.

Prin 2012 R. Mark Crockett et al confirmau ipoteza găurilor negre drept creatori de stele detectând un comportament similar la Centaurus A și au publicat rezultatele în studiul intitulat Triggered star-formation in the inner filament of Centaurus A ( arXiv:1201.3369 | PDF).

Ca o nouă dovadă a faptului că găurile negre ajută la formarea stelelor noi, Nicole Gugliucci, de la Discovery, ne informa că Sagittarius A*, gaura neagră super-masivă din centrul galaxiei noastre, ajută la formarea de stele noi în zona sa prin emiterea razelor X și a unui jet de SiO către norii de gaz din zonă. F. Yusef-Zadeh et al ne informează în studiul ALMA Observations of the Galactic Center: SiO Outflows and High Mass Star Formation near Sgr A* despre faptul că ALMA și VLT, telescoape ale ESO, au ajutat la elucidarea misterului apariției unor stele noi în zona Saittarius A* (Sgr A*). Studiul poate fi găsit la arXiv:1303.3403 (PDF).

Încă trei lucruri interesante legate de găurile negre

#1 Există un loc în jurul găurii negre numit sfera fotonică. În acea zonă lumina orbitează gaura neagră la viteza luminii. Mai jos de acea zonă este orizontul evenimentului dincolo de care nimic nu poate scăpa.

#2 Efectul Casimir și găurile negre.

În 2011 cercetătorii Astrid Lambrecht și Serge Reynaud au confirmat efectul Casimir, efect prin care se poate demonstra exitența particulelor virtuale. În cadrul experimentului original se folosesc două plăci plasate foarte aproape una de alta. În cele două plăci pot apare doar anumite tipuri de particule virtuale. Dacă mișcăm repede (cu cel puțin 5% din viteza luminii) una dintre plăci, atunci particulele virtuale nu mai intră în contact pentru a se anula reciproc și unele devin particule reale.

#3. Dacă nici lumina nu poate evada dintr-o gaură neagră, atunci cum de gravițația poate evada?

Ei bine gravitația nu evadează, deși se spune că radiază și că este purtată de către particule numite gravitoni. Gravitația este o deformare a spațiu-timpului datorată prezenței masei într-un anumit loc.

Detalii și explicații afli de la AskAMathematician.com.

#4: Găurile negre ar putea fi, de fapt, Bose Einstein Condensates, la care lungimea de undă este egală cu raza Schwartzschield.

Studiul poate fi citit aici și este numit Black holes as self-sustained quantum states, and Hawking radiation. La crearea studiului a participat și cercetătorul român Octavian Micu, de la Institute of Space Science, din București:
Roberto Casadioab∗, Andrea Giugnoab†, Octavian Micuc‡, and Alessio Orlandiab§

Octavian Micu, cercetător român la Institutul de știința Spațiale din România mi-a explicat cum este posibil ca o gaură neagră să fie un BEC, Bose-Einstein Condensate, adică materie, care răcită la 0 K are aspect de undă și, asemenei unei unde, se poate suprapune materie peste materie în același loc. Acel loc sau zonă va avea o lungime de undă ce este egală cu raza Schwatzschield după care definești orizontul de așteptare al unei găuri negre. Funcția de undă Compton-de Broglie ne vorbește de lungimea de undă a unui asemenea BEC și este:
lambda = h / m * c.

Despre Bose-Einstein condensate poți afla aici:

#5 Paradoxul pierderii informației intr-o gaură neagră.

Octavian Micu, cercetătorul român care a studiat la Universitatea din Alabama și care lucează acum la Institutul de Științe Spațiale din România, mi-a spus următoarele legat de acest paradox al pierderii informației:

Toate teoriile din fizica se bazeaza pe legi de conservare. Printre cantitatile conservate sunt numerele cuantice ale particulelor. Toate procesele cuantice respecta aceste legi de conservare: si deci chiar si intr-o reactie nucleara numerele cuantice dinainte de reactie se regasesc la produsele de reactie. Ei, gaurile negre sunt caracterizate decat de masa, moment cinetic si sarcina. Deci cand o particula trece dincolo de orizontul evenimentelor toate celelalte proprietati cuantice „dispar”. Asta inseamna ca radiatia hawking nu stie nimic despre particulele care au format gaura neagra.

Întrebarea săptămânii: cum funcționează un termos?

În episodul 19 din categoria de fizică s-au oferit explicatii pentru modul în care funcționează un termos.

Despre funcționarea termosului ne-a povestit Conf. Dr. Nicolae Crețu, de la Universitatea “Transilvania” Brasov, Laboratorul Fizică Aplicată și Computațională.

Termosul a fost inventat în 1892 de Sir James Dewar și purta numele de flacon cu vid sau vas Dewar.

Principiul de funcționare al termosului este următorul: lichidul din termos este menținut la o temperatură constantă prin limitarea interacțiunii pereților cu mediul exterior.

Termosul are doi pereți între care este vid. Pe peretele interior este pus un strat reflectant pentru a reflecta în interiorul vasului radiația termică provenită de la lichid.

Folosirea vidului pe post de izolator termic este o decizie bună în acest caz pentru că acolo unde este vid singurul mod prin care un corp pierde căldură este prin radiația termică.

În mod normal corpurile își micșorează temperatura prin pierderea de căldură venind în contact cu mediul înconjurător (fenomenele de conducție și convecție).

Dacă în mediul înconjurător avem vid, atunci corpului respectiv îi va lua mult mai mult timp pentru a pierde căldura.

Trebuie subliniată aici diferenta dintre căldură și temperatură. Temperatura este un parametru de stare, adică un număr ce exprimă suma tuturor energiilor cinetice ale atomilor ce compun acel corp.

Căldura, în schimb, este un transfer de energie, o cantitate de energie termică mutată dintr-un loc în altul.

Ca și curiozitate, dat fiind că vidul este un izolator termic, un om ar putea supraviețui până la 90 de secunde în spațiul cosmic fără echipament de protecție. Citește mai multe pe Tehnocultura.ro.

Nu uita să trimiți întrebări pe Tehnocultura.ro, în zona de comentarii, pe Facebook sau pe canalul de YouTube.

Întrebarea săptămânii: cum funcționează un termos?

Minutul de tehnologie

Știri din lumea științei

Despre ce se mai discută în lumea pseudoștiinței?

Bonus

Vizitează

Share this:

Lasă un răspuns Anulează răspunsul