• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Zdjęcia rentgenowskie zdradzają tajemnice czarnych dziur

    03.08.2011. 17:26
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Naukowcy zbliżyli się o krok do poznania dwóch największych tajemnic astrofizyki dzięki nowym obserwacjom prowadzonym za pomocą obserwatorium rentgenowskiego Chandra Narodowej Agencji Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) - satelity kosmicznego wystrzelonego przez NASA w 1999 r., który umożliwia prowadzenie obserwacji z wykorzystaniem promieniowania rentgenowskiego, co jest niemożliwe w atmosferze Ziemi pochłaniającej te promienie.

    Ostatnie zdjęcia rentgenowskie, na których widać przepływ gorącego gazu w kierunku czarnej dziury, umożliwiają wyjaśnienie dwóch podstawowych problemów współczesnej astrofizyki: w jaki sposób powiększają się czarne dziury i jak zachowuje się materia w ich silnej grawitacji. Naukowcy z uczelni wyższych w Alabamie, Kalifornii i Michigan w USA opublikowali wyniki swoich badań w czasopiśmie Astrophysical Journal Letters.

    Zespół poddał analizie czarną dziurę znajdującą się w odległości około 32 mln lat świetlnych od Ziemi w centrum dużej galaktyki o nazwie NGC 3115. Chociaż wcześniejsze dane wskazywały na opadanie materii w kierunku czarnych dziur i na nie, to naukowcy nigdy wcześniej nie byli w stanie zobaczyć wyraźnego obrazu gorącego gazu w różnych odległościach od czarnej dziury.

    Zdjęcia gorącego gazu wykonane w różnych odległościach od tej supermasywnej czarnej dziury umożliwiły astronomom zaobserwowanie krytycznego progu, za którym ruch gazu zaczyna być dominowany przez grawitację czarnej dziury, po to aby gaz ostatecznie wpadł do jej wnętrza. Ta odległość od czarnej dziury jest nazywana promieniem Bondiego.

    "To ekscytujące odkryć tak wyraźny dowód na to, że gaz może znaleźć się w okowach masywnej czarnej dziury" - mówi Ka-Wah Wong z Uniwersytetu Alabama, naczelny autor badań. "Rozdzielczość obrazów z Chandry zapewnia unikalną możliwość pogłębienia wiedzy na temat przechwytywania materii przez czarne dziury na podstawie badania tego pobliskiego obiektu."

    Gaz wpływający do czarnej dziury zostaje "ściśnięty" przez co staje się gorętszy i jaśniejszy. Zespół odkrył, że temperatura gazu zaczyna rosnąć w odległości około 700 lat świetlnych od czarnej dziury. Naukowcy byli następnie w stanie zmapować lokalizację promienia Bondiego. To sugeruje, że czarna dziura w centrum galaktyki NGC 3115 ma masę około dwa miliardy razy większą od Słońca, co oznacza, że jest najbliższą Ziemi czarną dziurą takiej wielkości.

    Dane z obserwatorium Chandra ujawniają również, że zgodnie z przewidywaniami zespołu gaz w pobliżu czarnej dziury znajdującej się w centrum galaktyki jest gęstszy od gazu zlokalizowanego dalej. Na podstawie zaobserwowanych właściwości gazu i założeń teoretycznych zespół oszacował następnie, że każdego roku gaz o masie równej około 2% masy Słońca jest przeciągany przez promień Bondiego w kierunku czarnej dziury.

    "Obecnie największa tajemnica astrofizyki dotyczy tego, jak obszar wokół masywnych czarnych dziur może pozostawać tak ciemny, kiedy jest tak dużo dostępnego paliwa, aby go rozświetlić" - mówi współautor Jimmy Irwin, naukowiec zaangażowany w badania. "Ta czarna dziura jest doskonałym upostaciowieniem tego problemu."

    Istnieją dwa możliwe wyjaśnienia tej sprzeczności: pierwsze mówi, że znacznie mniej materii wpada tak naprawdę do czarnej dziury w porównaniu do tej poruszającej się wewnątrz promienia Bondiego, a według drugiego przekształcenie energii w promieniowanie jest znacznie mniej wydajne niż się zakłada.

    Rozmaite modele opisujące przepływ materii do czarnej dziury przedstawiają odmienne przewidywania tempa wzrostu gęstości gazu zbliżającego się do czarnej dziury. Zespół ma teraz nadzieję, że Chandra wygeneruje precyzyjniejsze obserwacje w przyszłości i dostarczy astronomom potrzebnych danych do wykluczenia niektórych z tych modeli.

    Za: CORDIS

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Orbita fotonowa - szczególna orbita fotonu wokół czarnej dziury, która charakteryzuje się tym, że odległość fotonu od centrum pola grawitacyjnego nie ulega zmianie w trakcie ruchu. Fotony krążą po takiej orbicie nie oddalając się ani nie zbliżając do czarnej dziury. W przypadku nierotującej czarnej dziury (rozwiązanie Schwarzschilda), orbita fotonowa znajduje się w odległości 1,5 promienia Schwarzschilda od centrum grawitacji, czyli wyraźnie ponad horyzontem czarnej dziury. Jest to orbita kołowa o najmniejszym możliwym promieniu – cząstki materialne mają orbity kołowe o promieniu zawsze większym od orbity fotonowej. Orbita fotonowa jest niestabilna, najmniejsze zaburzenie w ruchu fotonu spowoduje jego ucieczkę do nieskończoności lub spadnięcie pod horyzont czarnej dziury. Jeżeli czarna dziura rotuje (rozwiązanie Kerna), to ruch fotonu w płaszczyźnie równikowej zależy od tego, czy foton krąży po orbicie zgodnej czy przeciwnej do kierunku rotacji czarnej dziury. Istnieją wówczas dwie orbity fotonowe. Istnienie całej sfery orbit fotonowych nie tylko w płaszczyźnie równikowej, badał Teo (2003). Event Horizon Telescope (EHT) – program naukowy, którego zadaniem jest obserwacja przestrzeni kosmicznej znajdującej się w bezpośredniej bliskości czarnej dziury z rozdzielczością kątową porównywalną do rozmiarów horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Celem obserwacji będzie m.in. znajdująca się w centrum Drogi Mlecznej czarna dziura Sagittarius A*. Sagittarius A* jest przynajmniej 30 razy większa od Słońca, ale widziana z Ziemi ma rozmiary kątowe takie same jak pomarańcza na Księżycu oglądana z Ziemi. Obserwacje tak niewielkiego obiektu w zakresie fal milimetrowych i submilimetrowych będą wymagały niespotykanej jak dotąd precyzji i koordynacji obserwacji. Ergoobszar, zwany też ergosferą – to obszar dookoła wirującej czarnej dziury, znajdujący się na zewnątrz sfery wyznaczonej przez horyzont zdarzeń w rozwiązaniu Kerra, gdzie wartość grawitacji staje się nieskończona. Im szybszy obrót wokół własnej osi, tym dalej znajduje się ergoobszar od horyzontu. Gdy rotacja czarnej dziury znika, wówczas znika również ergosfera i właściwym jest opis Schwarzschilda.

    Czarna dziura – obszar czasoprzestrzeni, którego, z uwagi na wpływ grawitacji, nic, łącznie ze światłem, nie może opuścić. Zgodnie z ogólną teorią względności, do jej powstania niezbędne jest nagromadzenie dostatecznie dużej masy w odpowiednio małej objętości. Czarną dziurę otacza matematycznie zdefiniowana powierzchnia nazywana horyzontem zdarzeń, która wyznacza granicę bez powrotu. Nazywa się ją "czarną", ponieważ pochłania całkowicie światło trafiające w horyzont, nie odbijając niczego, zupełnie jak ciało doskonale czarne w termodynamice. Mechanika kwantowa przewiduje, że czarne dziury emitują promieniowanie jak ciało doskonale czarne o niezerowej temperaturze. Temperatura ta jest odwrotnie proporcjonalna do masy czarnej dziury, co sprawia, że bardzo trudno je zaobserwować w wypadku czarnych dziur o masie gwiazdowej bądź większych. Czarna dziura o masie pośredniej (ang. intermediate-mass black hole, IMBH) – czarna dziura o masie większej niż czarna dziura o masie gwiazdowej, ale mniejszej od supermasywnej czarnej dziury. Dotychczas (2012) odkryto szereg obiektów, które wykazują cechy IMBH.

    Mikrokwazar – obiekt podobny do kwazara, ale dużo mniejszy. Mikrokwazary to gwiazdowe układy podwójne w naszej Galaktyce o wielu wspólnych cechach z kwazarami. Wykazują silną i zmienną emisję radiową, widoczny relatywistyczny dżet, i często efekt pozornej nadświetlnej ekspansji dżetu. Znaczną część energii emitują w zakresie promieniowania rentgenowskiego. Są to jednak obiekty gwiazdowe, składające się z gwiazdy oddającej masę oraz gwiazdy zwartej – gwiazdy neutronowej lub czarnej dziury - na którą gaz opada za pośrednictwem dysku akrecyjnego. Można je uważać za radiowo głośne układy rentgenowskie. Od kwazarów różnią się masą – czarne dziury w aktywnych galaktykach mają masę miliona lub nawet miliarda mas Słońca, a mikrokwazary – obiekt centralny o masie do kilkunastu mas Słońca. Różnią się także źródłem opadającej materii – w kwazarach jest to materia galaktyki macierzystej, w mikrokwazarach towarzysz. W obu typach obiektów zachodzą podobne procesy, jednak ze względu na wielokrotnie mniejszą masę przebieg tych samych zjawisk jest wielokrotnie szybszy w mikrokwazarze: zjawiska zachodzące w mikrokwazarze w skali jednego dnia w kwazarze zajdą na przestrzeni tysięcy lat. Biała dziura – hipotetyczne przeciwieństwo czarnej dziury. Według teorii biała dziura miałaby być obszarem, gdzie zarówno energia, jak i materia wypływają z osobliwości. Dotychczasowe badania nie potwierdziły istnienia białych dziur, choć niektórzy badacze uważają, że powstanie Wszechświata, czyli Wielki Wybuch mógł być w istocie przykładem takiego zjawiska.

    Akrecja – w astronomii terminem tym określa się opadanie rozproszonej materii na powierzchnię ciała niebieskiego w wyniku działania grawitacji. Zjawisku temu może towarzyszyć wydzielanie dużej ilości energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego, gdy opadająca materia wyświeca część utraconej grawitacyjnej energii potencjalnej. Szczególnie widowiskowa jest akrecja na obiekty zwarte – białe karły, gwiazdy neutronowe czy czarne dziury. Uważa się, że mechanizmem „zasilającym” aktywne jądra galaktyk jest właśnie akrecja materii na supermasywną czarną dziurę. Podwójna czarna dziura – układ podwójny złożony z dwóch związanych grawitacyjnie (orbitujących się wzajemnie) czarnych dziur. Układy tego typu mogą powstawać w czasie zderzeń galaktyk. Okrążając się wzajemnie, czarne dziury są bardzo silnym źródłem fal grawitacyjnych i w miarę utraty energii generowanej w właśnie w postaci fal grawitacyjnych zbliżają się coraz bardziej do siebie, aby ostatecznie zlać się w jedną czarną dziurę generując przy tym jeszcze potężniejszą falę grawitacyjną.

    Roland Glenn – postać fikcyjna, jeden z głównych bohaterów czwartego sezonu serialu Prison Break. Gra go James Hiroyuki Liao. Wynalazca urządzenia, które umożliwiło skopiowanie Michaelowi Scofieldowi pięciu dysków. Roland porównał swoje urządzenie do cyfrowej czarnej dziury.

    Pulsar podwójny – układ podwójny, najczęściej dwóch pulsarów lub jednego pulsara i gwiazdy neutronowej czy czarnej dziury.

    Masa minimalna – dolna granica rzeczywistej masy obserwowanego obiektu astronomicznego (planety, gwiazdy, układu podwójnego, czarnej dziury itp.). Argument Sołtana jest teorią astrofizyczną przedstawioną w 1982 roku przez polskiego astrofizyka Andrzeja M. Sołtana. Mówi ona w skrócie, że jeżeli źródłem energii odległych kwazarów była akrecja materii na supermasywna czarną dziurę, to takie supermasywne czarne dziury muszą nadal istnieć w lokalnym wszechświecie jako „martwe” kwazary.

    Kilonova – zjawisko astronomiczne polegające na zderzeniu dwóch gwiazd zdegenerowanych (np. gwiazd neutronowych) lub gwiazdy neutronowej i czarnej dziury, najprawdopodobniej będące odpowiedzialne za bardzo krótkie rozbłyski gamma. W wybuchach typu kilonova wytwarzane są bardzo duże ilości ciężkich metali w ramach procesu r. Dziury – jaskinia w Pieninach, w ich części zwanej Pieninkami. Znajduje się na północnych stokach Sokolicy, przy zielonym szlaku turystycznym z Krościenka na Przełęcz Sosnów. Nazwa jaskini pochodzi od terenu na którym się znajduje – Dziury. Jest to porośnięty lasem osuwiskowy teren zawalony gruzem skalnym, pełen rowów i pęknięć skalnych.

    System Suchej i Mokrej Dziury (słow. Systém Mokrej a Suchej diery) – krasowy system jaskiniowy w Tatrach Wysokich na Słowacji, położony w Dolinie Jaworowej nad zachodnim brzegiem Jaworowego Potoku, w pobliżu polany Jaworzynki. Składa się z dwóch części, uznawanych do 2000 roku za osobne jaskinie – Suchej Dziury i Mokrej Dziury. Łączna długość znanych obecnie (stan na kwiecień 2011) korytarzy wynosi 1764 m, a deniwelacja jaskini – około 35 m. Jaskinia nie jest dostępna dla turystów, mogą ją odwiedzać tylko odpowiednio przygotowani speleolodzy. Fizyka poza modelem standardowym - aspekty fizyki teoretycznej, próbujące wyjaśnić niedoskonałości modelu standardowego, takie jak: pochodzenie masy, naruszenie parzystości ładunku, oscylacje neutrin, asymetrię materii i antymaterii oraz naturę ciemnej materii i ciemnej energii. Dodatkową trudność sprawia aparat matematyczny samego modelu standardowego, który jest niespójny z ogólną teorią względności w punktach, w których jedna lub obie teorie załamują się przy określonych warunkach (np. w osobliwościach czasoprzestrzeni takich jak Wielki Wybuch czy horyzont zdarzeń czarnej dziury).

    Dodano: 03.08.2011. 17:26  


    Najnowsze