Termodinamica Găurilor Negre

O gaură neagră este un obiect astronomic înconjurat de o suprafaţă limită în care câmpul gravitaţional este atât de puternic încât nimic nu poate scăpa după ce a trecut de această suprafaţă orizontul evenimentului.

Deflecţia luminii a unei stele de neutroni

(Aceasta face ca observarea unor evenimente din cadrul acestui orizont [sau orice alt fel de comunicaţie] să devină imposibilă, de aici şi denumirea de orizontul evenimentului.)

Radiaţia electromagnetică (lumina de ex.) nu poate scăpa dintr-o gaură neagră, aşa încât interiorul unei găuri negre nu este vizibil, de aici provenind şi numele. Gaura neagră are în centrul ei o regiune cunoscută şi ca „singularitate". La suprafaţa limită gravitaţia este atât de mare, încât nici o rază de lumină n-are energie suficientă pentru a pătrunde în afară. Deplasarea gravitaţionala spre roşu este la această suprafată limită, infint de mare. Viteza de scăpare gravitaţională este la suprafaţa limită egală cu viteza lumini, aşa încât raza suprafeţei limită este egală cu raza traiectoriei circulare, numită raza Schwarzschild.

Raza Schwarzschild (denumită uneori şi raza gravitaţională) este o rază caracteristică fiecărei mase. Este raza limită dintre două sau mai multe corpuri fără ca unul din cele ele să sufere modificări datorită acţiunii gravitaţionale a altui corp. Este un termen folosit în fizică şi astronomie în domeniile teoriei gravitaţiei respectiv cel al relativităţii. Raza Schwarzschild reprezintă abilitatea masei de a curba spaţiul şi timpul.

Aceasta este raza unei sfere în spaţiu, care dacă ar conţine o cantitate suficientă de masă (şi ar ajunge la o anumită densitate), gravitaţia ar fi atât de mare încât nici o forţă cunoscută nu ar putea opri masa de la prabuşirea într-un punct de densitate infinită: singularitatea gravitaţională. Termenul este folosit în fizică şi astronomie, în special în teoria gravitaţiei şi a relativităţii generale.

În astronomie, raza Schwarzschild este folosită pentru a determina aria de atracţie gravitaţională a unei găuri negre sau pentru determinarea posibilităţii impactului a două corpuri cereşti (de obicei stele).

unde

este raza Schwarzschild,

G este constanta gravitaţională,

m este masa obiectului, şi

c este viteza luminii.

Geneza

Stelele cu masa peste masa limită au o mare problemă atunci când îşi termină combustibilul. În aceste cazuri când masa este peste masa limită, stelele vor suferi un colaps gravitaţional către un punct cu densitate infinită, formând astfel o gaură neagră.

Deci, la o stea gigantă masivă, masa care ramane după explozie poate depaşi 2,5-3 mase solare. Un asemenea nucleu stelar dens este instabil intrând în colaps gravitaţional, care (teoretic) se contractă la infinit. Când raza stelei în colaps gravitaţional coboară sub raza Schwarzschild, steaua se transformă într-o gaură neagră. Găurile negre sunt considerate ca singularităţi ale Universului.

În 1939, un tânăr savant american, Robert Oppenheimer (care ulterior a avut o contribuţie importantă la fabricacarea primei bombe atomice) a explicat influenţa câmpului gravitaţional al unei stele asupra luminii, precum şi ce se întamplă conform teoriei relativităţii generalizate atunci când principiul de excluziune al lui Pauli nu putea să oprească colapsul gravitaţional al unei stele masive a cărei masă era peste masa limită. Astfel, traiectoriile razelor de lumină în spaţiu-timp sunt modificate de către câmpul gravitaţional al stelei şi ele vor fi diferite de traiectoriile care ar fi fost dacă steaua nu exista. Conurile de lumină care indică traiectoriile urmate în spaţiu şi timp de lumină, au vârfurile curbate uşor spre interior în apropierea suprafeţei stelei. (În timpul unei eclipse de Soare, putem observa curbarea luminii stelelor ale căror traiectorii trec prin imediata vecinătate a Soarelui.) Când o stea se contractă, câmpul gravitaţional de la suprafaţa sa devine mai puternic şi conurile de lumină sunt curbate şi mai mult spre interior. Aceasta face şi mai dificilă ieşirea luminii emise de suprafaţa stelei, din câmpul gravitaţional al stelei şi astfel pentru un observator aflat la distanţă, lumina stelei va apare mai slabă şi mai roşie (întrucât scade frecvenţa luminii datorită câmpului gravitaţional şi aceasta corespunde cu o deplasare a luminii către capătul roşu al spectrului). În cele din urmă, când steaua s-a micşorat până la o anumită rază critică, atunci câmpul gravitaţional de la suprafaţa stelei devine foarte puternic şi va determina conurile de lumină să fie curbate spre interior atât de mult încât lumina nu va mai putea ieşi din câmpul gravitaţional. Conform teoriei relativităţii, nimic nu se poate deplasa mai repede decât lumina. Astfel, dacă lumina nu mai poate ieşi din câmpul gravitaţional al stelei, atunci nimic nu va mai putea ieşi, totul este atras de câmpul gravitaţional. Există deci un set de evenimente într-o regiune a spaţiului-timpului, numită gaură neagră, din care nimic nu poate ieşi pentru a ajunge la un observator aflat la distanţă. Limita acestei regiuni se numeşte orizontul evenimentului şi el coincide cu traiectoriile razelor de lumină care nu au reuşit să iasă din gaura neagră.

Orizontul evenimentului sau Raza Schwarzschild este o suprafaţă sferică ce marchează graniţa găurii negre. Poţi intra în gaura neagră prin acest orizont, dar nu mai poţi ieşi niciodată. De fapt, odată ce ai trecut de orizontul evenimentului, eşti condamnat să te apropii din ce in ce mai mult de „punctul de singularitate” din centrul găurii negre, unde forţa gravitaţională tinde spre infinit. Orizontul evenimentului are nişte proprietăţi geometrice foarte ciudate. Pentru un observator care stă nemişcat la distanţă mare de gaura neagră, orizontul pare a fi o suprafaţă sferică netedă şi statică. Dar odată cu apropierea de orizont, ne dăm seama că are o viteză foarte mare. De fapt se mişcă spre exterior, relativ la singularitate, cu viteza luminii. Asta explică de ce e uşor să treci orizontul spre interior, dar e imposibil s-o faci în direcţia opusă.

Pentru înţelege ce am vedea dacă am privi colapsul unei stele care formează o gaură neagră, trebuie să reamintim că în teoria relativităţii nu există timp absolut, fiecare observator având propria sa măsură a timpului. Timpul pentru un observator de pe stea, va diferi de timpul unui observator aflat la distanţă, datorită câmpului gravitaţional al stelei. Să presupunem acum o navă spaţială aflată pe orbită în jurul unei stele care suferă un colaps gravitaţional. La un moment dat, steaua s-ar micşora sub raza critică la care câmpul gravitaţional devine atât de puternic încât nimic numai poate ieşi, deci nici lumina nu va mai ajunge la navă. Astronauţii care sunt pe navă şi privesc colapsul gravitaţional al stelei, ar observa că lumina stelei va apare din ce în ce mai slabă şi mai roşie (întrucât scade frecvenţa luminii datorită câmpului gravitaţional) până când lumina va dispărea complet. Privit de pe nava spaţială, tot ce s-ar observa ar fi o gaură neagră în spaţiu, însă steaua (acum devenită gaură neagră), ar continua să exercite aceeaşi forţă gravitaţională asupra navei spaţiale, care ar continua să se deplaseze pe orbită în jurul găurii negre.