Czarne dziury

Czarne dziuryczarna dziuraCzarne dziury od dziesięcioleci fascynują naukowców z całego świata. Co o nich wiemy? Jak powstają? Czym są? Co znajduje się w ich wnętrzu? Nie na wszystkie pytania potrafimy obecnie odpowiedzieć, dlatego obiekty te cały czas są badane. Wraz z poznaniem kolejnych informacji o czarnych dziurach, uzyskamy cenne uzupełnienie tego, co do tej pory dowiedzieliśmy się o świecie.

Już w starożytności zastanawiano się, jak zbudowany jest Wszechświat. W historii astronomii pojawiło się wiele teorii, bardzo często błędnych. Zanim doszliśmy do dzisiejszych teorii naukowych na temat tego, jak wygląda przestrzeń kosmiczna i jakimi prawami się rządzi, musiało minąć wiele setek lat. Do tej pory wiele zagadek nie zostało jeszcze wytłumaczonych. Naukowcy nadal badają Wszechświat, próbując znaleźć odpowiedzi na najbardziej nurtujące nas pytania, a każde odkrycie przynosi kolejne znaki zapytania, na które próbują znaleźć odpowiedź następne pokolenia.

Grawitacja

Angielski przyrodnik Robert Hooke, żyjący w $\mathrm{XVII}$ wieku, jako pierwszy zauważył, że ruch planet jest powodowany pewnym oddziaływaniem związanym z ich masą. Jeśli mówimy o oddziaływaniu, to nie sposób pominąć tak ważnej wielkości fizycznej, jaką jest siła. To dzięki niej opisujemy miarę oddziaływań. Zagadnienia Hooke'a matematycznie zapisał Isaac Newton, tworząc prawo powszechnego ciążeniaprawo powszechnego ciążenia (Newtona)prawo powszechnego ciążenia.

Prawo grawitacji zakłada, że:

• każde dwa ciała we Wszechświecie przyciągają się wzajemnie siłą grawitacyjną;

• siła grawitacyjna jest:

  • powszechna i uniwersalna;

  • wprost proporcjonalna do iloczynu oddziałujących ze sobą mas (im większe są te masy, tym bardziej wartość siły także się zwiększa);

  • odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między tymi masami (im ta odległość jest większa, tym bardziej wartość siły maleje).

Poniższy wzór odnosi się do tych założeń:

gdzie:
$F_g$ – siła grawitacyjna,
$G$ – stała grawitacyjna,
$M$, $m$ – masy poszczególnych ciał,
$r$ – odległość między ciałami.

Zwykle wielkość $G\frac{M}{r^2}$ oznaczamy jako $g$ i nazywamy przyspieszeniem grawitacyjnym. Na powierzchni Ziemi ma ono wartość około $9,81 \frac{\mathrm{m}}{{\mathrm{s}}^2}$. Rozwiązując zadania, często przybliżamy tę wartość do $10 \frac{\mathrm{m}}{{\mathrm{s}}^2}$.

Stąd wzór na ciężar:

gdzie:
$F_g$ – siła grawitacyjna (ciężar ciała o masie $m$ w miejscu o przyspieszeniu grawitacyjnym $g$),
$g$ – przyspieszenie grawitacyjne,
$m$ – masa ciała.

Siła grawitacji powszechnie nazywana jest również siłą ciężkości lub po prostu ciężarem.

Posługując się powyższym wzorem, w bardzo łatwy sposób obliczysz, z jaką siłą przyciągane są ciała np. na Ziemi, czy Księżycu.

Przykład 1

R12F0MiIs6Axv1

Ilustracja. Białe tło. Na środku wiklinowy kosz. Kosz jest wypełniony jabłkami, które wystają ponad jego brzegi. Obok kosza leżą dwa jabłka.

Oblicz ciężar $2000 \mathrm{g}$ jabłek na Ziemi.

Dane:
$m=2000 \mathrm{g}=2 \mathrm{kg}$
$g=10 \frac{\mathrm{m}}{{\mathrm{s}}^2}$

Szukane:
$F_g=?$

Wzór:
$F_g=mg$

Rozwiązanie:
$F_g=2 \mathrm{kg}·10\frac{\mathrm{m}}{{\mathrm{s}}^2}=20 \mathrm{N}$
Odpowiedź:
Jabłka mają ciężar $20 \mathrm{N}$.

Przykład 2

ReTrRctP9qxnP1

Ilustracja. Białe tło. Na środku kiść bananów.

Oblicz masę bananów przyciąganych do Ziemi siłą $8 \mathrm{N}$.

Dane:
$F_g=8 \mathrm{N}$
$g=10 \frac{\mathrm{m}}{{\mathrm{s}}^2}$

Szukane:
$m=?$

Wzór:
Przekształcając wzór
$F_g=m·g$
otrzymujemy
$m=\frac{F}{g}$

Rozwiązanie:
$m=\frac{8 \mathrm{N}}{10 \frac{\mathrm{m}}{{\mathrm{s}}^2}}$
$m=0,8 \mathrm{kg}$
Odpowiedź:
Banany mają masę $0,8 \mathrm{kg}$.

Przykład 3

RdlViINfMXGpz1

Ilustracja. Białe tło. Na środku glob ziemski. Widoczna jest cała Ameryka Południowa, Środkowa i duża część Północnej.

Oblicz ciężar Zosi na Ziemi i na Księżycu. Zosia ma masę $36 \mathrm{kg}$.

Dane:
$m=36 \mathrm{kg}$
$g_\text{Z}=9,81\,\mathrm{\large\frac{m}{s^2}}$ – przyspieszenie grawitacyjne Ziemi
$g_\text{K}=1,62\,\mathrm{\large\frac{m}{s^2}}$ – przyspieszenie grawitacyjne Księżyca

Szukane:
$F_{g\mathrm{Z}}=?$
$F_{g\mathrm{K}}=?$

Wzór:
$F=m·g$

Rozwiązanie:
$F_{g\mathrm{Z}}=36 \mathrm{kg}·9,81 \frac{\mathrm{m}}{{\mathrm{s}}^2}\approx 353 \mathrm{N}$
$F_{g\mathrm{K}}=36 \mathrm{kg}·1,62 \frac{\mathrm{m}}{{\mathrm{s}}^2}\approx 58 \mathrm{N}$
Odpowiedź:
Ciężar Zosi na Ziemi wynosi ok. $353 \mathrm{N}$, a na Księżycu ok. $58 \mathrm{N}$.

Zajmiemy się teraz zjawiskiem, na które siła grawitacji ma olbrzymi wpływ. Zarówno w procesie jego powstawania, jak i funkcjonowania. Są to czarne dziury.

Czarne dziury

R1YtushQb28GE

Ilustracja. Symulowany obraz czarnej dziury. Czarna dziura przedstawiona jako czarne koło, z jasną obwódką bezpośrednio wokół niej. W pewnej odległości wokół czarnej dziury zarys okręgu - zamazanego fragmentu otoczenia. Otocznie jest usiane jasnymi punktami na czarnym tle. Jasne punkty świecą i są tak gęsto usiane, że tło zdaje się mieć granatowy kolor.

RDyyKzgAAlGeK

Ilustracja. Czarne tło z czerwonymi, rozlanymi, ledwo widocznymi plamami. Po środku niewyraźny pomarańczowy pierścień o nieregularnej grubości.

Czarna dziura jest obszarem przestrzeni kosmicznej o wpływie grawitacji tak dużym, że nie jest w stanie go opuścić nawet światło. Wokół czarnej dziury istnieje powierzchnia nazwana horyzontem zdarzeńhoryzont zdarzeńhoryzontem zdarzeń, będąca swoistą granicą, po przekroczeniu której nic się nie wydostanie. Skoro światło zostaje pochłonięte, to obszar ten jest czarny. Tej właściwości zawdzięczają swoją nazwę czarne dziury.

Powstawanie czarnych dziur

R12Z4RXiE1CXb

Animacja dotycząca czarnych dziur.

Animacja dotycząca czarnych dziur.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R12Z4RXiE1CXb

Animacja dotycząca czarnych dziur.

Sprawdź się

Słownik

Bibliografia

Sagnowska B., Szot‑Gawlik D., Godlewska M., Rozenbajgier M., Rozenbajgier R., 2017, Świat fizyki, Warszawa, WSiP