Misterele Universului : Gaurile Negre

          Vreme indelungata existenta gaurilor negre a fost destul de controversata. In prezent foarte putine persoane mai contesta existenta acestora.

1. Ce este si cum se formeaza o gaura neagra?

         O gaura neagra este o regiune din spatiu care are o forta gravitationala atat de mare incat nici chiar lumina nu poate scapa din aceasta. Numele de "gaura neagra" a fost dat pentru prima oara de catre fizicianul John Archibald Wheeler, ea fiind numita initial "stea intunecata".
         Astrofizicienii sunt de parere ca o gaura neagra se formeaza atunci cand o stea cu masa de cel putin trei ori mai mare decat cea a Soarelui moare. Atunci cand nucleul unei stele neutronice (stea neutronica = stea foarte densa formata din neutroni) ce contine o cantitate foarte mare de materie astfel incat ea nu mai poate fi sustinuta , steaua se comprima si se prabuseste in...interior. In timp ce densitatea creste, diametrul ei se micsoreaza.

         Forta gravitationala a unui astfel de obiect creste foarte mult iar acest proces devine tot mai lent astfel incat el nu se sfarseste niciodata. Datorita gravitatiei imense, gaura neagra are proprietatea de a atrage materia din jurul sau. Aceasta patrunde in interiorul gaurii negre rotindu-se in forma de spirala.
         Desi nu prezinta dimensiuni apreciabile, o gaura neagra poate absorbi extrem de multa materie pe care o comprima.Exista si gauri negre care nu au o origine stelara.

2. Cum putem observa o gaura neagra?

        Chiar daca ele exista, cel putin pana in prezent, gaurile negre nu au putut fi observate direct. Găurile negre sunt invizibile, deoarece nici chiar lumina nu poate scăpa din capcanele sale gravitaționale. Insa, in apropierea unei gauri negre au loc anumite fenomene care pot fi observate si detectate de pe Pamant si care le dovedesc existenta.
       Atractia gravitationala foarte mare a unei gauri negre comprima materia pe care o atrage. Materia este incalzita la temperaturi atat de mari incat, cu scurt timp inainte de a fi "inghitita" de catre gaura neagra, aceasta va emite raze X ce pot fi detectate.

        Masa foarte mare a gaurii negre face ca lumina ce trece pe langa ea sa fie deviata sub un anumit factor, deviatie ce poate fi observata de pe Pamant.
        Totusi, cercetatorii sustin ca tehnologia cu ajutorul careia vor putea fi "vizualizate" cat de curand gaurile negre ar putea fi perfectata. Primele imagini ale unei gauri negre vor avea se pare o forma de semiluna.

3. Cum arata o gaura neagra?

         Cercetatorii de la "Institutul de Astrofizica din Paris" au reusit, cu ajutorul unui computer performant sa modeleze aspectul unei gauri negre folosindu-se de imagini reale ale astrilor surprinse de mai multe telescoape. Pe aceste imagini, a fost suprapusa aparitia unei gauri negre.

"Aceasta este imaginea pe care a-ti vedea-o daca v-ati indrepta spre o gaura neagra...fiecare stea aflata in jurul gaurii va avea nu una ci doua imagini, cate una de fiecare parte a ei", afirma cercetatorul Alain Riazuelo :

4. Structura unei gauri negre

O gaura neagra este alcatuita din doua componente principale:
- Orizontul evenimentelor;
- Singularitatea.

        Astronomul german Karl Schwarzschild (1873-1916), a prezis existenta "razei Schwarzschild". Suprafata sferica a gaurii negre caracterizata de "raza Schwarzschild" poarta numele de Orizont al evenimentelor.

a). Orizontul evenimentelor:
         Orizontul evenimentelor este o granita invizibila aflata la marginea gaurii negre in interiorul careia campul gravitational este atat de puternic incat nici chiar lumina nu mai poate scapa din interiorul acestei suprafete. Acest lucru face imposibil de vizualizat interiorul unei gauri negre.
         La nivelul acestei suprafete, viteza de evadare a oricarui obiect este egala cu viteza luminii. Totusi, interiorul unei gauri negre se pare ca este destul de...luminos !! Aici materia este supusa atat multiplelor efecte fizice cat si comprimarii.
         Orizontul evenimentelor prezinta niste proprietati geometrice foarte ciudate. Pentru cineva aflat in afara lui, la o distanta apreciabila de gaura neagra, acesta este o suprafata sferica statica. Aceeasi persoana, apropiindu-se de Orizont, va observa ca totusi el are o viteza foarte mare miscandu-se spre exterior.

b). Singularitatea:
         In centrul unei gauri negre se petrece un lucru foarte ciudat. Acolo exista un punct numit singularitate cu un volum ce tinde spre zero dar cu o masa ce tinde spre infinit. In acest punct, legile fizicii newtoniene nu mai pot fi aplicate.Orice corp ceresc captat de forta de atractie a gaurii negre se deplaseaza catre acest centru de gravitatie.

         Datorita efectelor cuantice, gaurile negre emit radiatie termica numita si "radiatie Hawking". Producerea acestui tip de radiatie, micsoreaza masa gaurii negre, proces numit si "evaporare a gaurii negre".

5. Paradoxul gaurilor negre. Ce s-ar intampla cu un astronaut daca s-ar indrepta catre o gaura neagra?

         Apropiindu-se de Orizontul evenimentelor, un astronaut ar observa distorsiuni optice ciudate in jurul gaurii negre. Odata trecut de acest Orizont al evenimentelor el ar fi practic condamnat la un drum fara intoarcere. In apropierea gaurii negre astronautul este " intins" foarte mult. Picioarele acestuia vor fi atrase cu o forta mai mare decat partea superioara a corpului. Aceasta "intindere" va continua pana cand el va fi practic rupt in bucati.

         Exista totusi doua teorii in lumea fizicii cu privire la ce s-ar putea intampla cu astronautul odata patruns in gaura neagra:

- Din punctul de vedere al relativitatii generale, atunci cand acesta ar trece de Orizontul evenimentelor, nu ar observa nimic deosebit, insa...apropiindu-se de singularitate fortele gravitationale l-ar rupe in bucati;

- Din punctul de vedere al fizicii cuantice insa, dupa ce astronautul ar trece de Orizontul evenimentelor acesta ar intalni un..."zid de foc" (firewall). Particulele cu energie foarte inalta pe care le-ar intalni l-ar "praji" inainte ca acesta sa fie "rupt" de fortele gravitationale imense.
Aceste doua teorii contradictorii compun asa-numitul "paradox al gaurii negre".
Chiar daca prin anumite metode, astronautul ar supravietui fortelor gravitationale mari, el nu s-ar mai putea reintoarce, ci isi va continua drumul catre...singularitate.

6. Teorii controversate

a). Gaurile negre - porti catre universuri paralele 

         Fizicianul Nikodem Poplawski (Univ.New Haven) este de parere ca daca noi am cadea intr-o gaura neagra, particulele noastre ar ajunge intr-un univers paralel. "O gaura neagra nu este ceva infinit de dens si de mic, asa cum presupunea Einstein, ci este ceva finit", afirma Poplawski. Teoria fizicianului se bazeaza pe ipoteza ca inainte de Big Bang ar fi existat o "samanta" de materie foarte densa care s-a format in interiorul unei gauri negre.

b). Poate exista viata in gaurile negre?

         Vyacheslav Dokuchaev (Institutul de cercetare nucleara din Moscova) spune ca in interiorul gaurii negre ar putea exista civilizatii extraterestre. El afirma ca intr-o gaura neagra incarcata electric, pot exista regiuni in care fotonii pot supravietui pe orbite stabile. Aceste puncte stabile exista insa, doar dupa depasirea Orizontului evenimentelor.

         Dupa Orizontul evenimentelor se afla un alt "teritoriu" numit "orizont Cauchy" unde timpul si spatiul revin la normal. In aceasta zona, spune Dokuchaev, ar putea exista civilizatii de Nivelul III foarte avansate in comparatie cu omenirea care inca incearca sa atinga Nivelul I pe scara Kardaschev.

c). "Nu exista gauri negre ci...gauri gri"!!

         Dupa parerea fizicianului Stephen Hawking, teoria actuala referitoare la existenta gaurilor negre este gresita. Solutia paradoxului gaurilor negre o reprezinta eliminarea Orizontului evenimentelor. Acesta este practic cel care genereaza paradoxul. Lipsa Orizontului evenimentelor presupune faptul ca aceste gauri negre, asa cum noi le stim, nu exista. Teoria gaurii gri a lui Hawking permite materiei si energiei sa fie retinute in interiorul gaurii o anumita perioada de timp dupa care aceasta este eliberata in spatiu. Asadar,spune Hawking, nu exista gauri negre ci doar...gauri gri in care materia si energia sunt retinute doar o perioada de timp.

d). Gaurile de vierme si gaurile albe:

        Se presupune ca aceste gauri negre ar fi in legatura cu asa-numitele "gauri albe" prin care materia se revarsa inapoi. Diferenta dintre gaurile albe si gaurile negre o reprezinta comportamentul Orizontului evenimentelor. In cazul gaurilor negre acesta atrage materia pe cand in cazul gaurilor albe, el o expulzeaza. 
        De asemenea, o gaura neagra nu ar fi altceva decat o intrare a unei "gauri de vierme". Gaurile de vierme masoara doar...10¯¹³ cm si nu traiesc decat 10¯²º secunde, si au proprietatea de a "leaga" zone îndepărtate ale universului printr-o "scurtătură". Acestea nu sunt stabile in spatio-timp prabusindu-se sub propria greutate.

7. Gauri negre descperite:

 - In ultima perioada au fost descoperite numeroase gauri negre. Astrofizicienii sunt convinsi ca in centrul galaxiei Calea Lactee exista o gaura neagra super-masiva. Cu ajutorul tehnologiei moderne au putut fi urmarite orbitele stelelor care se deplaseaza in jurul acesteia. Aceasta gaura neagra orbiteaza la 3 ani-lumina de Constelatia Sagetatorul. Faptul ca steaua gigantica SDSS J090745,0+24507 paraseste Calea Lactee cu o viteza de doua ori mai mare decat in mod normal, i-a determinat pe cercetatori sa creada ca in centrul galaxiei noastre se afla o gaura neagra super-masiva;
- În Constelatia Ursa Mare este descoperită o gaură neagră gigantică, Q0906+6930;
- Numeroase rapoarte sugereaza observarea de gauri negre microscopice in acceleratoarele de particule;
- Telescopul Hubble descopera grupuri de gauri negre in afara Caii Lactee, M15 si G1.

Viata lui Albert Einstein - Partea 4: Capodopera marelui fizician

Motto : "Când un cărăbuş orb se târăşte pe suprafaţa unei sfere, el nu  realizează că  drumul pe care merge este curb; eu am avut norocul de a vedea acest lucru".(Albert Einstein)

           Ideea teoriilor lui Einstein este ca timpul si distantele unui eveniment masurate de doi observatori diferiti au valori diferite, insa se supun acelorasi legi fizice.
Prima din cele doua teorii celebre ale lui Einstein, este Teoria Relativitatii Restranse (TRR). Aceasta teorie a fost numita "restransa" deoarece aplica principiul relativitatii numai la sisteme inertiale.
           Pe cand se afla inca la ETH in Zurich (1901-1905), Einstein si-a pus urmatoarele intrebari : Ce s-ar intampla daca as calatori odata cu unda de lumina, la viteza acesteia si...sa zicem ca in mana as tine o oglinda? Daca m-as misca cu viteza luminii si oglinda la fel, atunci lumina reflectata de fata mea nu ar mai ajunge la oglinda !!! Imaginea din oglinda nu ar trebui sa dispara???
Einstein a studiat aceste probleme purtand numeroase discutii cu bunii sai prieteni Marcel Grossmann si Michele Besso. El era de parere ca indiferent cum se deplaseaza lumina dintr-un loc in altul, imaginea din oglinda nu ar trebui sa dispara !!!
           Einstein afirma : "...la inceput cand TRR abia incoltea in mintea mea, am suferit tot felul de caderi nervoase. Cand eram tanar obisnuiam sa am saptamani intregi stari de confuzie....".

Fragment din manuscrisul lui Einstein - Teoria Relativitatii Restranse

            Principiul relativitatii al lui Galilei spune ca toate miscarile uniforme sunt relative. Acestea nu pot fi detectate fara referire la un punct exterior. Spre exemplu daca ne-am afla intr-un vehicul cu obloanele trase si care se misca rectiliniu uniform, nu ne-am putea da seama daca acesta se misca uniform sau sta nemiscat in functie de obiectele aflate in interiorul vehiculului. Cu alte cuvinte...nu putem sti daca ne miscam sau nu uniform fara a ne uita in afara !!! Acesta este principiul relativitatii.                 Bazandu-se pe acest principiu, Einstein spune ca ar trebui sa-si vada imaginea in oglinda, chiar daca se misca cu viteza luminii. Marele fizician, generalizeaza principiul relativitatii al lui Galilei (fenomenele fizice se desfasoara identic in toate sistemele de referinta inertiale) si adauga apoi un nou postulat : viteza luminii in vid are aceeasi valoare in toate sistemele de referinta inertiale (SRI) si in toate directiile, si nu depinde de miscarea sursei de lumina sau a observatorului.

Consecinte ale TRR :

- dilatarea timpului;
- contractia lungimilor;
- impulsul si energia : daca viteza unui obiect se apropie de cea a luminii (c= 299.792.458 m/s), din punctul de vedere al unui observator masa obiectului ar creste. Acest lucru ar face imposibila accelerarea obiectului in sistemul de referinta al observatorului;
- echivalenta masa-energie :  E=mc²  unde E=energia; m=masa; c=viteza luminii. Masa unui corp poate fi convertita in energie, iar degajarea energiei unui corp conduce la scaderea masei lui.

Fragment din manuscris

           Sa luam urmatorul exemplu : presupunem ca doi gemeni se nasc la un moment dat pe Pamant. La data si ora nasterii lor o nava spatiala pleaca de pe Pamant catre cea mai stralucitoare stea observata cu ochiul liber pe cer, Sirius. Distanta pana la aceasta stea este de 8,6 ani-lumina. Unul din cei doi gemeni pleaca in calatorie cu nava iar celalalt ramane pe Pamant. Nava se deplaseaza cu 90% din viteza luminii, v=0,90c (adica v  = 269.813.212 m/s).
Conform TRR, intervalul de timp dintre doua evenimente este relativ.Timpul scurs pentru cel care a plecat cu nava cat si pentru cel ramas pe Pamant poate fi calculat dupa urmatoarea formula :

unde :
t = timpul scurs pentru cel care se deplaseaza cu nava;
t'= timpul scurs pentru cel de pe Pamant pana cand nava se va intoarce;
v= viteza de deplasare a navei;
c= viteza luminii (c=269.813.212 m/s)

Sa calculam ma intai durata calatoriei dupa timpul de pe Pamant. Stim ca v (viteza) este egala cu distanta (d) parcursa impartita la timpul (t) necesar parcurgerii acesteia : v=d/t'

v = d / t'
vt' = d
t' = d / v

Deoarece trebuie sa calculam durata drumului dus-intors vom avea : t' = 2d /v ;
Atunci t' = 2d/v = 2*8,6 ani-lumina / 0,90c = 17,2 ani-lumina / 0,90c = 19,11 ani (durata calatoriei calculata de catre cei aflati pe Pamant).

Asta inseamna ca, atunci cand nava se va intoarce cu unul din cei doi gemeni, cei de pe Pamant vor fi cu 19,11 ani mai in varsta.

Insa, membrii echipajului vor calcula si ei durata calatoriei cu nava spatiala din punctul lor de vedere. Timpul scurs pentru cei care se deplaseaza cu nava va fi :

de unde rezulta:

   

Inlocuind si calculand timpul t, vom obtine 8,3281 ani.
            Acest rezultat ne spune ca timpul scurs pentru cei care se deplaseaza cu nava este de 8,3281 ani. Asadar, calculele echipajului aflat pe nava spatiala arata ca ei vor sosi acasa, pe Pamant dupa acest interval de timp de 8,3281 ani.
Conform acestor calcule, cand cei doi gemeni se vor reintalni pe Pamant, dupa sosirea navei, cel care a plecat in calatorie va avea aproximativ 8 ani (8,3281 ani) iar cel ramas acasa pe Pamant va avea aproximativ 19 ani (19,11 ani) !!!
            Pentru o persoana care s-ar deplasa cu o viteza apropiata de c (viteza luminii), timpul s-ar scurge mai lent decat pentru una care ar stationa, iar daca viteza sa ar atinge valoarea c timpul s-ar opri !!! Totusi, cu tehnologia actuala  este imposibil ca un obiect sa fie accelerat pana la viteza luminii.

Fragment din manuscrisul lui Einstein cu celebra ecuatie E=mc²

            O alta consecinta a TRR este echivalenta masa-energie :  E=mc² , unde E=energia; m=masa; c=viteza luminii. Aceasta relatie prezice ca orice particula de materie contine o cantitate uriasa de energie. Spre exemplu un gram de materie, nu poate elibera o cantitate extrem de mare de energie insa.....1 kg (=1000g) de materie poate elibera o cantitate de energie enorma tinand cont ca, in formula lui Einstein viteza luminii este ridicata la patrat si are o valoare foarte mare !!
            Totusi, E=mc² nu este asa cum cred unii formula bombei atomice !! Einstein a afirmat doar faptul ca inertia are energie iar energia la randul sau are inertie. El nu a precizat cu se poate obtine aceasta energie.

            Faptul ca viteza luminii este constanta in orice sistem de referinta inertial (adica c ramane aceeasi), incalca legile miscarii ale lui Newton deoarece in teoriile lui nu exista viteza absoluta.
TRR avea totusi o problema si anume...aceasta nu implica gravitatia !!! Intre 1905 si 1915 Einstein se va ocupa de aceasta problema desavarsindu-si practic Teoria Relativitatii pe care o considera capodopera sa prin elaborarea Teoriei Relativitatii Generale (TRG).

           Teoria Relativitatii Generale (TRG) a fost publicata de catre Albert Einstein in 1916. Ea unifica TRR cu legea gravitatiei a lui Newton si descrie gravitatia ca o proprietate a geometriei spatiului si timpului (spatiu-timp). Conceptul gravitatiei lui Einstein este diferit de cel al lui Newton. Conform acestei teorii obiectele masive deformeaza spatiul din jurul lor curbandu-l. Orice corp ceresc care ar trece intamplator prin aceasta zona este atras de catre aceasta curbura formata de corpul masiv.

Pamantul deformeaza spatiul din jurul sau

            Spre exemplu si Pamantul poseda o masa care la randul ei provoaca o deformare a spatiului din jurul sau. In jurul curburii spatiului formate de catre Pamant se deplaseaza Luna. De asemenea, meteoritii care cad pe Pamant sunt atrasi de catre curbura creata de acesta. Aceasta este si explicatia lui Einstein pentru care....a cazut marul lui Newton !!!

Deformarea spatiului

            Chiar si lumina stelelor este deformata (desi stim ca lumina se propaga in linie dreapta!!) atunci cand aceasta trece pe langa un corp cu o masa foarte mare (cum este spre exemplu Soarele). Datorita gravitatiei Soarelui traiectoria luminii de la stea este deviata si aceasta va aparea unui observator intr-o pozitie deplasata.
            In timpul noptii pozitia unei stele este foarte usor de stabilit. Insa...in timpul zilei, atunci cand Soarele se afla in apropierea acelei stele pe cer, pozitia ei pare a fi modificata !! Conform lui Einstein acest lucru se intampla deoarece razele de lumina venite de la steaua indepartata urmeaza traiectoria spatiului curbat de catre Soare ceea ce da impresia ca steaua si-a schimbat pozitia fata de cea cunoscuta in urma observatiilor din timpul noptii.
            Pentru ca teoria lui Einstein sa fie confirmata era nevoie de ....o eclipsa de Soare !! Mai intai trebuia facuta o fotografie a campului de stele si apoi in timpul unei eclipse totale de Soare fotografiate acele stele din camp a caror lumina trec pe langa suprafata Soarelui. Daca observand cele doua fotografii realizate este sesizata o mica deplasare intre pozitiile stelei atunci teoria se confirma.

Raza de lumina este deformata (click pentru marire)
( http://davidjarvis.ca/dave/gallery/ )

            Einstein a trebuit sa astepte pana in anul 1919 pentru ca teoria sa fie confirmata, atunci cand  Sir Arthur Stanley Eddington, cu ocazia eclipsei totale de Soare din acelasi an a putut efectua numeroase fotografii.
            Din TRG a lui Einstein rezulta si posibilitatea existentei Gaurilor Negre care sunt regiuni in care spatiul si timpul sunt distorsionate foarte mult. Deformarea spatiu-timpului este atat de mare incat nici lumina nu poate scapa din interiorul ei.

Gaura Neagra

           Totusi TRG nu ofera un raspuns la unificarea teoriei gravitatiei generale cu legile mecanicii cuatice. Aceasta din urma explica modul cum se comporta obiectele subatomice in timp ce teoria relativitatii descrie comportamentul obiectelor macroscopice. Unificarea celor doua teorii intr-o Teorie Unificata a Campurilor ramane marele vis al lui Einstein....o teorie la care va lucra pana la sfarsitul vietii.

           In loc de incheiere.... : Un vechi si foarte bun prieten al lui Einstein, prof.Frank ii face o vizita acestuia in biroul din Praga. Din biroul lui Einstein se putea vedea pe o fereastra copacii umbrosi si o gradina foarte frumoasa. De la fereastra putea vedea grupuri de oameni de tot felul purtand discutii aprinse sau uneori....vorbind singuri. Dupa un anumit timp Einstein descopera ca in zona era un ospiciu, iar oamenii care se plimbau erau pacientii. La un moment dat acesta ii arata prof. Frank spunandu-i : "Astia sunt nebunii care nu-si petrec timpul gandindu-se la teoria cuantica".

Praga