Despre găuri negre

Aproape toată lumea a auzit despre găuri negre. Ele îi fac pe majoritatea oamenilor să se gândească la portale spre alte lumi, universuri paralele sau alte dimensiuni. Nu este imposibil ca aceste speculații fantastice să fie adevărate, ținând cont că multiversul (ansamblul tuturor universurilor) este luat foarte în serios de cosmologi, iar dimensiunile extra sunt des discutate în fizica particulelor. Acest text este însă despre ceea ce știm sigur în legătură cu găurile negre.

Prima idee despre ceea ce am numi azi „găuri negre” este cea a stelelor întunecate din 1783, care îi aparține omului de știință John Michell. Acesta și-a imaginat o stea a cărei viteză de evadare o depășește pe cea a luminii. O astfel de stea ar fi complet neagră, deoarece nicio rază de lumină nu poate scăpa de pe suprafață. De atunci nu au mai fost discutate astfel de obiecte până în secolul xx, atunci când fizicianul Karl Schwarzschild a găsit soluții ale teoriei relativității ce corespund cu ceea ce acum numim găuri negre. Termenul de gaură neagră a fost prima dată introdus de fizicianul John Wheeler. Albert Einstein a crezut că găurile negre sunt doar soluții matematice, care nu se realizează în universul fizic. Totuși, pe lângă dovezi indirecte ale prezenței acestora, au fost fotografiate două găuri negre: cea din centrul galaxiei M87 și Sagittarius A*, care se află în centrul Căii Lactee. De fapt ceea ce se vede nu este gaura neagră în sine, ci discul de acreție (curent acumulat de gaz fierbinte care orbitează gaura neagră și emite radiație termică), care emite lumină. Găurile negre nu sunt întocmai obiecte, ci regiuni de spațiu-timp de unde nici măcar cu viteza luminii nu se poate scăpa. Soluțiile găsite de Karl Schwarzschild corespund găurilor negre care sunt caracterizate doar de masă, fără rotație sau sarcină electrică (sarcina electrică nu este a găurii negre în sine, ci a particulelor de gaz foarte fierbinte ce orbitează în jurul acesteia). Aceste tipuri de găuri negre se numesc Găuri Negre Schwarzschild. Majoritatea găurilor negre din univers au și mișcare de rotație, deoarece steaua din care se formează se rotea la rândul ei. Găurile negre sunt caracterizate doar de aceste trei proprietăți. Ca urmare, se spune că găurile negre ,,nu au păr”, părul fiind o trăsătură ce deosebește oamenii între ei.

Găurile negre se formează atunci când un obiect este comprimat dincolo de Raza Schwarzschild corespunzătoare obiectului. Orice obiect are o astfel de rază, care definește mărimea găurii negre ce corespunde masei respective. O gaură neagră de masă solară ar avea o rază de 3 km, iar o gaură neagră de masa Pământului ar avea o rază de aproximativ 1 cm. Dincolo de acest punct nu există forțe cunoscute care să oprească prăbușirea obiectului. Astfel, obiectul ar deveni un punct de volum zero și densitate infinit de mare, o singularitate. Singularitatea este centrul găurii negre și este un mister. Nu se știe ce se întâmplă acolo, deoarece teoriile curente nu mai funcționează. Infinitățile întâlnite nu sunt fizice, reale, ci arată că teoria este forțată dincolo de domeniul ei de aplicabilitate. Este nevoie de o teorie a gravitației cuantice pentru a descrie ce se întâmplă în acele condiții. Este nevoie și de fizica cuantică și de relativitatea generală pentru a descrie o gaură neagră, deoarece vorbim despre multă masă înghesuită într-un spațiu infim. Raza Schwarzschild reprezintă raza la care un obiect trebuie comprimat pentru a se forma o gaură neagră, dar și punctul în care viteza minimă de evadare de pe suprafața obiectului depășește viteza luminii. Ajungând aici, se formează orizontul evenimentelor, care este granița dintre lumea exterioară și cea interioară găurii negre. Odată ce un obiect a traversat orizontul evenimentelor, nu se mai poate întoarce. Acest orizont nu este o suprafață fizică, ci o regiune sferică (pentru găuri negre nerotative) unde viteza minimă de evadare este exact viteza luminii. Distanța de la centrul găurii negre până la orizontul evenimentelor este Raza Schwarzschild.

Găurile negre se formează de obicei prin implozia unei stele supergigante. O stea funcționează fuzionând elemente ușoare și formând elemente mai grele prin procesul de fuziune nucleară. Acest proces eliberează energie, creând o presiune exterioară ce se opune gravitației interne a stelei. La sfârșitul vieții stelelor, presiunea creată de fuziunea nucleară nu mai este suficientă pentru a contrabalansa gravitația și steaua se prăbușește. În acest proces brusc de implozie se creează o undă de șoc care expulzează straturile exterioare ale stelei. Acest fenomen este numit supernovă. Nucleul stelei continuă să se prăbușească. Stelele asemănătoare soarelui (din secvența principală a diagramei Hertzsprung-Russell) vor deveni pitice albe, fiind susținute de presiunea de degenerare. Atunci când nucleul stelei se contractă, electronii tind să fie striviți spre nucleu. Principiul de Excluziune al lui Pauli interzice însă acest lucru. Principiul spune că mai mult de doi fermioni (particule de materie) nu pot ocupa aceeași stare cuantică. Electronii vor crea, deci, o presiune exterioară ca să evite a ocupa toți același loc. Astfel, steaua se stabilizează. Piticele albe sunt de obicei puțin mai mari decât Pământul, însă o linguriță din materia unei pitice albe cântărește tone. Stelele de la 1,5 mase solare în sus devin stele neutronice, a căror compoziție e dominată de neutroni. Aceste obiecte foarte compacte au diametrul de aproximativ 20 km, iar o linguriță de materie cântărește cât Muntele Everest. Pentru stelele cele mai masive, supergigantele, nu există un fenomen cunoscut ce s-ar opune prăbușirii. Astfel, steaua devine din ce în ce mai mică, iar gravitația de la suprafață din ce în ce mai puternică, din moment ce se apropie de centrul stelei. După ce se atinge Raza Schwarzschild, prăbușirea este iminentă și se formează o gaură neagră. Gaura neagră nu are o forță gravitațională mai mare decât a stelei mamă, așa cum s-ar putea crede. Este pur și simplu aproximativ aceeași masă comprimată într-un spațiu foarte mic. Fotonii nu încep să orbiteze gaura neagră într-un inel de fotoni pentru că gravitația e mai mare ca a stelei, ci pentru că, masa fiind compactată într-un punct, ei (fotonii) se pot duce mai adânc în câmpul gravitațional, simțind o intensitate mai mare a acestuia. Dacă ne scufundăm într-o stea nu vom întâlni aceleași efecte, deoarece masa stelei e distribuită mai mult sau mai puțin uniform față de centru. Dacă însă mergem spre o gaură neagră, vom simți că intensitatea gravitației crește, deoarece masa toată este în centrul spre care ne îndreptăm (singularitatea). În ambele cazuri, gravitația este la fel de puternică.

Găurile negre care se formează din stele prăbușite se numesc găuri negre stelare sau de masă stelară. Găurile negre cele mai masive, din centrul galaxiilor, se numesc găuri negre supermasive. Acestea dau naștere quasarilor, cele mai luminoase obiecte din univers. Materia foarte fierbinte din discul de acreție este trimisă în jeturi de ani-lumină de câmpurile magnetice din jurul găurii negre. O problemă în astrofizică este legată de formarea acestor găuri negre supermasive. Din ceea ce știm până acum, nu ar fi avut suficient timp să se formeze. Se poate ca găuri negre de masă intermediară să fie legătura lipsă între găurile negre supermasive și cele stelare, dar deocamdată nu s-a descoperit niciun astfel de obiect. Un al patrulea tip de găuri negre ar fi cele primordiale, care s-ar fi format la scurt timp după Big Bang dintr-o supraabundență de materie a acelui mediu haotic.

În anul 1974, fizicianul și cosmologul Stephen Hawking a demonstrat teoretic că găurile negre ar trebui să emită radiație termică. Rezultatul său este o consecință a teoriei cuantice a câmpurilor aplicată aproape de orizontul evenimentelor. Faptul că găurile negre emit radiație este aproape unanim acceptat de oamenii de știință, fiind o urmare a teoriilor contemporane. Până atunci se credea că găurile negre nu emit nimic, că sunt complet negre, și că există pentru totdeauna. Faptul că acestea emit radiație (energie) înseamnă că pierd treptat și lent din masă. În aproximativ 10^100 ani, o gaură neagră supermasivă se evaporă complet. Acest aspect duce la o problemă, la un paradox care se numește Paradoxul Informației. Dacă gaura neagră se evaporă, ce se întâmplă cu informația materiei ce a căzut în ea? Dispare și ea? Atunci ar fi un paradox, deoarece informația din univers se conservă și nu se poate distruge. Dacă se arde o foaie de hârtie, nu s-a distrus informația pe care o conținea, doar că acum este mult mai greu (imposibil din punct de vedere practic) de reconstruit. De asemenea, știind starea inițială a unui obiect, folosind legile fizicii, se poate calcula starea finală și știind starea finală se poate deduce starea inițială, deoarece aceste legi sunt reversibile. Dar în cazul găurilor negre informația nu s-ar mai recupera, deoarece radiația lăsată în urmă este termică și aleatorie, independentă de natura obiectelor care au fost absorbite de gaura neagră. Din câte știm, singurul efect al căderii unui obiect în gaura neagră este creșterea masei acesteia, care nu depinde de natura obiectului. Dacă aruncăm un om de 80 kg sau 80 kg de cereale într-o gaură neagră, rezultatul final va fi același: creșterea masei. Știind starea finală nu putem ști starea inițială, ce obiect a intrat. Iar dacă gaura neagră se mai și evaporă definitiv, informația pare pierdută la prima vedere, ceea ce nu este permis de conservarea informației.

Gaura neagră din galaxia M87.

Sagitarrius A*, gaura neagră din centrul Căii Lactee.


articol scris de Matei Dăianu