Warto przeczytać

Gwiazdy neutronowe

Gwiazdy neutronowe są końcowym stadium ewolucji gwiazd od 10 do 20 razy masywniejszych od Słońca. Źródłem energii gwiazd są zachodzące w centrum reakcje termojądrowe, czyli łączenie się lżejszych jąder atomowych w cięższe. Wydzielająca się przy tym energia powoduje powstanie ciśnienia równoważącego zgniatające siły grawitacji. Największym jądrem atomowym, jakie może w tym procesie powstać jest jądro żelaza, bowiem synteza większych jąder wymagałaby dostarczania energii. Gdy środek gwiazdy wypełnia całkowicie żelazo, reakcje termojądrowe ustają i nic już nie powstrzymuje sił grawitacji. Rdzeń gwiazdy gwałtownie zapada się, a pozostała materia gwiazdy ulega rozproszeniu w wybuchu supernowej.

Temperatura zapadającego się rdzenia gwiazdy gwałtownie wzrasta. Wskutek tego jądra żelaza rozpadają się na neutrony i protony. Elektrony łączą się z protonami, w wyniku czego powstają neutrony i neutrina – bardzo przenikliwe, lekkie cząstki elementarne. Reakcję tę możemy zapisać:

gdzie pIndeks górny +⁺ to dodatnio naładowany proton, eIndeks górny -^- – ujemny elektron, n – neutron, νnu – neutrino (neutron i neutrino są obojętne elektrycznie). Neutrony pozostają w nowo powstałej gwieździe neutronowej, a przenikliwe neutrina opuszczają gwiazdę.

Jak sugerują współczesne modele budowy gwiazd neutronowych, cienką skorupę zewnętrzną gwiazdy neutronowej tworzy sieć krystaliczna jąder żelaza. Powierzchnia jest twarda i gładka – najwyższe góry nie przekraczają mikrometra. Bezpośrednio pod skorupą zewnętrzną występują duże jądra atomowe o znacznej nadwyżce neutronów zanurzone w gazie neutronowym. Na głębokości około 1 km struktury jądrowe zanikają. Głębiej materia gwiazdy neutronowej tworzy jednorodną ciecz złożoną głównie z neutronów, z niewielką domieszką protonów i elektronów.

Powstawaniu gwiazdy neutronowej towarzyszy bardzo szybki wzrost tempa jej rotacji, zgodnie z zasadą zachowania momentu pędu. Analogiczne zjawisko obserwujemy, gdy łyżwiarz wykonujący piruet, przyciąga ręce do tułowia, zwiększając swą prędkość kątową. Gwałtowne zapadanie się jądra gwiazdy powoduje też duży wzrost natężenia jej pola magnetycznego.

Swobodne elektrony krążą wokół linii pola magnetycznego, wychodzących z biegunów magnetycznych gwiazdy. Towarzyszy temu emisja dwóch wiązek fal elektromagnetycznych w zakresie od fal rentgenowskich do radiowych. Bieguny magnetyczne zwykle nie leżą na osi rotacji. Wiązka promieniowania wiruje wokół osi obrotu gwiazdy, tworząc tak zwany efekt latarni morskiej (Rys. 1.). Jeśli Ziemia znajdzie się na drodze wiązki promieniowania, możemy odbierać impulsowe sygnały, które docierają do Ziemi z dokładnością zegara atomowego. Właśnie w ten sposób odkryto pierwsze gwiazdy neutronowe, które z powodu mikroskopijnych (w skali kosmicznej) rozmiarów są niemożliwe do bezpośredniej obserwacji przez największe nawet teleskopy. Obiekty wysyłające błyski promieniowania elektromagnetycznego o okresie od milisekund do sekund nazwano pulsarami. Dziś wiemy, że są to gwiazdy neutronowe, których promieniowanie dociera do Ziemi. Znacznie więcej gwiazd neutronowych nie możemy zaobserwować, bo Ziemia nie leży na drodze wiązek ich promieniowania.

Rn3NDcIflp0q2

Rys. 1. Rysunek przedstawia, w jaki sposób promieniowanie elektromagnetyczne emitowane jest przez gwiazdę neutronową z biegunów magnetycznych i skupione w wąskich wiązkach. W centralnej części rysunku umieszczono niebieską kulkę, przez którą przechodzi pionowa, zielona oś z zaznaczonym kierunkiem obrotu, zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Również centrycznie, ale nieco odchylona w prawo, zaznaczona jest druga oś, wokół której wirują jasne okręgi. Jednocześnie są styczne do siebie nawzajem i przebiegają przez środek niebieskiej kulki. Te okręgi to wiązki, które omiatają przestrzeń wskutek wirowania gwiazdy.

W momencie narodzin gwiazda neutronowa jest bardzo gorąca, ma temperaturę rzędu 10Indeks górny 12¹² K. W ciągu kilku sekund temperatura spada poniżej 10Indeks górny 11¹¹ K, czyli ponad dziesięciokrotnie. Chłodzenie to odbywa się w wyniku emisji neutrin powstających w procesie łączenia się protonów i elektronów. Rozkład temperatur w gwieździe neutronowej jest zaskakujący – najniższa temperatura jest w centrum, bo tam najwydajniej powstają neutrina, które bez przeszkód opuszczają gwiazdę neutronową, unosząc energię.

Czarne dziury

Gwiazdy neutronowe to końcowe stadium ewolucji gwiazd o masie nie przekraczającej 20 mas Słońca. A jak kończy się żywot gwiazdy o większej masie? W tym przypadku po zakończeniu reakcji termojądrowej żelazny rdzeń gwiazdy jest zbyt duży i siła grawitacji zbyt wielka, by zapadanie się gwiazdy mogło cokolwiek zatrzymać. Gwiazda zapada się do czarnej dziury, czyli obiektu wywierającego tak wielką grawitację, że żadne ciało, a nawet światło nie może go opuścić. Czarna dziura powstaje w samym centrum gwiazdy, a znaczna zewnętrzna część masy gwiazdy zostaje odrzucona w wybuchu supernowej.

Istnienie czarnych dziur wynika z Ogólnej Teorii Względności Alberta Einsteina, która interpretuje grawitację jako zakrzywienie czasoprzestrzeni wokół każdego ciała obdarzonego masą. Niedługo po opublikowaniu równań Ogólnej Teorii Względności Karl Schwarzschild, młody niemiecki fizyk, znalazł ich rozwiązania dla przypadku sferycznie symetrycznej, czyli doskonale okrągłej gwiazdy. Gdy ta ma dużą masę i odpowiednio mały promień, otaczająca czasoprzestrzeń dziwnie się zachowuje. Wokół gwiazdy powstaje horyzont, który można przekroczyć tylko z zewnątrz. Nazywamy go horyzontem zdarzeń. Schwarzschild podał wartość promienia horyzontu zdarzeń, zwanego promieniem Schwarzschilda, który wyznacza rozmiary czarnej dziury:

gdzie $G$ – stała grawitacji, $M$ – masa czarnej dziury, $c$ – prędkość światła w próżni.

Wygodnym sposobem na oszacowanie promienia Schwarzschilda jest przybliżona reguła:

Promień Schwarzschilda w kilometrach jest 3 razy większy niż masa obiektu w jednostkach masy Słońca.

Promień Schwarzschilda dla Słońca wynosi więc około 3 km, co oznacza, że Słońce ściśnięte do kuli o promieniu 3 km stałoby się czarną dziurą.

Nie wiadomo, co dzieje się z ciałem, które wpada do czarnej dziury. Prawdopodobnie ulega ono rozerwaniu na cząstki elementarne przez gigantyczne siły grawitacji. Zgodnie z Ogólną Teorią Względności zapadanie się czarnej dziury powoduje, że cała jej zawartość skupia się w końcu w centralnym punkcie, osiągając nieskończoną gęstość. Taki punkt nazywamy osobliwością. Stanowi ona problem dla fizyków, bo wszystkie równania załamują się w takim punkcie – po prostu nie umiemy go opisać.

Tuż nad horyzontem zdarzeń czasoprzestrzeń jest silnie zakrzywiona. Oznacza to spowolnienie upływu czasu. Grawitacyjne spowolnienie upływu czasu dotyczy każdego obiektu, jednak siły grawitacji, które możemy bezpośrednio obserwować są zbyt małe, aby ten efekt był łatwo mierzalny. Konsekwencją spowolnienia czasu jest grawitacyjne przesunięcie ku czerwieniPrzesunięcie ku czerwieniprzesunięcie ku czerwieni światła emitowanego z powierzchni gwiazdy. Skoro zwiększa się okres fali elektromagnetycznej, zmniejsza się jej częstotliwość, a więc zwiększa się długość fali.

Na przykład, na powierzchni Słońca spowolnienie czasu, a więc i $z=\frac{\Delta\lambda}{\lambda}$ wynosi 2 · 10Indeks górny -6^-6 ($\lambda$ to długość fali promieniowania emitowanego z dala od Słońca, $\Delta\lambda$ – zmiana długości fali spowodowana grawitacją Słońca). Fakt ten został potwierdzony doświadczalnie przez Jima Braulta w latach 60. XX wieku. Efekt w przypadku Słońca jest bardzo mały i wykrycie go wymagało precyzyjnych pomiarów. Inaczej jest z czarnymi dziurami. W przypadku czarnej dziury o masie równej 10 masom Słońca na wysokości 1 cm nad jej horyzontem czas płynie 6 milionów razy wolniej niż z dala od niej.

Zrozumienie, dlaczego z czarnej dziury nie może wydostać się światło, ułatwi Rys. 2., który przedstawia 3 gwiazdy o jednakowej masie, ale różnych promieniach. Światło emitowane z masywnej gwiazdy ulega przesunięciu ku czerwieni tym większemu, im promień gwiazdy jest bliższy promieniowi Schwarzschilda. Jeśli promień gwiazdy jest 4 razy większy niż promień Schwarzschilda, to promieniowanie jest przesunięte ku czerwieni o 15%. Dla promienia 2 razy większego przesunięcie to wynosi już 41%. Natomiast gdy promień gwiazdy równy jest promieniowi Schwarzschilda, czyli gwiazda jest czarną dziurą, długość fali promieniowania emitowanego z jej powierzchni dąży do nieskończoności, a energia promieniowania dąży do zera. Oznacza to, że żadne promieniowanie nie jest emitowane.

R1eNlafvlfOA6

Rys. 2. Rysunek przedstawia, jak w miarę zapadania się masywnej gwiazdy w czarną dziurę, zwiększa się długość fali jej promieniowania. W momencie przekroczenia promienia Schwarzschilda promieniowanie ustaje. Na ilustracji przedstawiono duże, szare koło podpisane 4 razy promień Schwarzschilda. Na prawo z koła wychodzi pofalowana, żółta strzałka opisana foton przesunięty ku czerwieni o 15%. Poniżej, mniejsze szare koło podpisane 2 razy promień Schwarzschilda i czerwona, lżej pofalowana strzałka opisana foton przesunięty ku czerwieni o 41%. Jeszcze niżej, najmniejsze szare koło, podpisane promień Schwarzschilda i czarna strzałka w kształcie lekko wygiętego łuku opisana foton o nieskończonej długości fali i zerowej energii.

Jak wyglądałaby zapadająca się gwiazda dla nieruchomego, zewnętrznego obserwatora?

Początkowo promień gwiazdy jest znacznie większy od promienia Schwarzschilda. Gwiazda zapada się coraz szybciej. W miarę zbliżania się do rozmiaru krytycznego, czas ulega wydłużeniu, dla obserwatora gwiazda zapada się coraz wolniej, a promieniowanie jest coraz bardziej przesunięte ku czerwieni. Gwiazda świeci coraz słabiej. W końcu zastyga dokładnie dla rozmiaru krytycznego. Przestaje być widoczna. Zostaje tylko grawitacja.

Tak opisał powstawanie czarnej dziury John Wheeler, jeden z twórców teorii czarnych dziur, laureat Nagrody Nobla, który wprowadził nazwę „czarna dziura”:

„Z powodu coraz szybszego zapadania się [powierzchnia gwiazdy] coraz szybciej oddala się od obserwatora. Emitowane przez nią światło ulega przesunięciu ku czerwieni. Z każdą milisekundą staje się bardziej nikłe i po czasie krótszym niż sekunda jest zbyt ciemne, by mogło być widoczne (…) [Gwiazda] jak kot z „Alicji w Krainie Czarów”, przygasa i znika z pola widzenia. Kot pozostawia po sobie tylko uśmiech, gwiazda jedynie przyciąganie grawitacyjne. Przyciąganie grawitacyjne tak, światło nie. Podobnie jak światło nie wydostaje się z niej żadna cząstka. Co więcej, światło i cząstki nadbiegające z zewnątrz (…) i pochłaniane przez czarną dziurę zwiększają jej masę oraz wzmagają jej przyciąganie grawitacyjne.”

Choć czarnych dziur nie można zobaczyć, mamy niezbite dowody na ich istnienie. Odkryto dwa rodzaje czarnych dziur:

• Gwiazdowe – o masach zbliżonych do mas zwykłych gwiazd, od kilku do kilkunastu razy większych od masy Słońca i rozmiarach od kilku do kilkudziesięciu kilometrów.

• Supermasywne – o masach miliony lub miliardy razy większych od masy Słońca i rozmiarach od kilku minut świetlnych do kilku dni świetlnych.

Gwiazdowe czarne dziury są końcowymi produktami ewolucji masywnych gwiazd, natomiast mechanizm powstawania supermasywnych czarnych dziur nie jest jasny.

Jak zobaczyć czarne dziury, skoro są czarne, nie świecą? Możemy zaobserwować skutki ich oddziaływania grawitacyjnego. Więcej informacji o obserwacji czarnych dziur znajdziesz w e‑materiale „Skąd wnioskować o obecności czarnych dziur?”

Kwazary

W roku 1960 odkryto źródła promieniowania radiowego o bardzo małych rozmiarach, które na zdjęciach wykonanych teleskopem optycznym wyglądały jak gwiazdy. Zdziwienie badaczy budziły widma promieniowania radiowego tych obiektów – niepodobne do widma promieniowania gwiazd, ani jakiegokolwiek znanego gorącego gazu. Dopiero po 3 latach, w 1963 roku, Maarten Schmidt z Caltechu (USA) rozpoznał w tajemniczych widmach dobrze znane linie Balmera, czyli promieniowanie emitowane przez gazowy wodór, ale tak silnie przesunięte ku czerwieni, że znalazły się w zakresie podczerwieni (najdłuższa fala to 656,3 nm, a najkrótsza to 364,6 nm). Analiza widm obiektów nazwanych kwazarami (z ang. Quasi‑Stellar Object – obiekt gwiazdopodobny) prowadzi do wniosku, że oddalają się z prędkościami od kilkunastu do kilkudziesięciu procent prędkości światła. Zgodnie z prawem Hubble’aPrawo Hubble’aprawem Hubble’a oznacza to, że kwazary są obiektami niezmiernie odległymi. Ich światło obserwowane dzisiaj zostało wysłane od 2 do 13 miliardów lat temu. Badanie kwazarów dostarcza więc informacji o wczesnych etapach życia Wszechświata. Fakt, że możemy obserwować tak odległe obiekty, świadczy o tym, że emitują one ogromne energie – 100 razy większe niż najjaśniejsze galaktyki. W dodatku ta gigantyczna energia emitowana jest z niewielkiego obszaru o średnicy milion razy mniejszej niż średnica galaktyki. Dziś wiemy, że kwazary to masywne czarne dziury o masach rzędu kilkuset milionów mas Słońca, znajdujące się w centrach galaktyk, które powstały we wczesnej fazie historii Wszechświata. Źródłem gigantycznej energii emitowanej przez kwazar jest dysk akrecyjny uformowany przez materię przyciąganą siłami grawitacji. Materia spada na czarną dziurę po spiralnych torach, tworząc ogromny wir, w którym silnie nagrzewa się do bardzo wysokiej temperatury, czemu towarzyszy emisja promieniowania o ogromnej energii. Podobnie jak w elektrowniach wodnych źródłem energii elektrycznej jest energia grawitacyjna spadającej wody, w kwazarze źródłem jego energii promienistej jest energia grawitacyjna spadającej na czarną dziurę materii.

Dyski akrecyjne wokół masywnych czarnych dziur są najwydajniejszymi źródłami energii występującymi we Wszechświecie.

Większość znanych kwazarów jest bardzo odległa – powstawały one najczęściej w epoce między jedną dziesiątą a jedną trzecią obecnego wieku Wszechświata. Spływanie materii z dysku akrecyjnego na czarną dziurę powoduje zwiększanie jej masy. Jednocześnie dostępna materia wokół czarnej dziury ulega wyczerpaniu i dysk akrecyjny zanika. Czarna dziura przestaje świecić. Takie nieaktywne, masywne czarne dziury znajdują się w większości pobliskich galaktyk.

Przykładem może być gigantyczna czarna dziura znajdująca się w centrum naszej Galaktyki – Drogi Mlecznej. Dzięki obserwacji ruchu gwiazd w jej pobliżu udało się udowodnić jej istnienie i wyznaczyć masę. Na Rys. 3. pokazana jest animacja powstała przez złożenie zdjęć gwiazd wykonanych w ciągu kilkunastu lat. Gwiazdy poruszają się po keplerowskich elipsach, w ognisku których znajduje się niewidoczna czarna dziura, oznaczona krzyżykiem. Analiza orbit gwiazd pozwoliła wyznaczyć masę tej czarnej dziury na ponad 4 miliony mas Słońca.

R1FMl306S9pYH

Rys. 3. Animacja na ruchomym obrazie, bez udziału lektora, prezentuje, w jaki sposób, Gwiazdy w centralnej części Drogi Mlecznej poruszają się po orbitach eliptycznych wokół gigantycznej czarnej dziury. Na ciemnym tle przedstawiono 5 jasnych obiektów oraz czerwony krzyżyk. Po rozpoczęciu animacji, każdy z obiektów pokonuje drogę w kształcie mniej bądź bardziej spłaszczonej elipsy. Obiekty poruszają się w różnych kierunkach, jedne w dół, drugie w bok, ale każdy zatacza elipsę wokół czerwonego krzyżyka. W ciągu 6 sekund pokazano ruch gwiazd na przestrzeni kilkunastu lat. Na animacji widoczny jest przedział czasu od 1992 do 2006 roku oraz skala obiektów 10 dni świetlnych.

Rys. 3. Animacja na ruchomym obrazie, bez udziału lektora, prezentuje, w jaki sposób, Gwiazdy w centralnej części Drogi Mlecznej poruszają się po orbitach eliptycznych wokół gigantycznej czarnej dziury. Na ciemnym tle przedstawiono 5 jasnych obiektów oraz czerwony krzyżyk. Po rozpoczęciu animacji, każdy z obiektów pokonuje drogę w kształcie mniej bądź bardziej spłaszczonej elipsy. Obiekty poruszają się w różnych kierunkach, jedne w dół, drugie w bok, ale każdy zatacza elipsę wokół czerwonego krzyżyka. W ciągu 6 sekund pokazano ruch gwiazd na przestrzeni kilkunastu lat. Na animacji widoczny jest przedział czasu od 1992 do 2006 roku oraz skala obiektów 10 dni świetlnych.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1FMl306S9pYH

Rys. 3. Animacja na ruchomym obrazie, bez udziału lektora, prezentuje, w jaki sposób, Gwiazdy w centralnej części Drogi Mlecznej poruszają się po orbitach eliptycznych wokół gigantycznej czarnej dziury. Na ciemnym tle przedstawiono 5 jasnych obiektów oraz czerwony krzyżyk. Po rozpoczęciu animacji, każdy z obiektów pokonuje drogę w kształcie mniej bądź bardziej spłaszczonej elipsy. Obiekty poruszają się w różnych kierunkach, jedne w dół, drugie w bok, ale każdy zatacza elipsę wokół czerwonego krzyżyka. W ciągu 6 sekund pokazano ruch gwiazd na przestrzeni kilkunastu lat. Na animacji widoczny jest przedział czasu od 1992 do 2006 roku oraz skala obiektów 10 dni świetlnych.

W 2020 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali właśnie naukowcy – Niemiec Reinhard Genzel i Amerykanka Andrea Ghez, którzy potwierdzili obserwacyjnie istnienie czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej.

Słowniczek