Simfonia stelelor

[Perseida]

Bref, in 1967 studiul gaurilor negre a fost revolutionat de Werner Israel, un savant canadian (care s-a nascut in Berlin, a crescut in Africa de Sud si si-a luat doctoratul in Irlanda). Israel a aratat ca, in conformitate cu relativitatea generalizata, gaurile negre care nu se rotesc trebuie sa fie foarte simple; ele erau perfect sferice, dimensiunea lor depindea numai de masa lor si oricare doua gauri negre de acest fel avand aceeasi masa erau identice. De fapt, ele ar putea fi descrise de o solutie particulara a ecuatiilor lui Einstein care era cunoscuta inca din 1917, descoperita de Karl Schwarzschild la scurta vreme dupa descoperirea relativitatii generalizate. La inceput, multe persoane, printre care chiar Israel, au argumentat ca deoarece gaurile negre trebuie sa fie perfect sferice, o gaura neagra poate fi formata numai prin colapsul unui obiect perfect sferic. Orice stea reala care nu ar fi niciodata perfect sferica ar putea deci sa sufere un colaps formand doar o singularitate nuda. Rezultatul lui Israel trata cazul gaurilor negre formate numai din corpuri care nu se rotesc.

Dar, in 1963 Roy Kerr din Noua Zeelanda a descoperit un set de solutii ale ecuatiilor relativitatii generalizate care descriau gaurile negre rotitoare. Aceste gauri negre "Kerr" se rotesc cu viteza constanta, dimensiunea si forma lor depinzand numai de masa si viteza lor de rotatie. Daca rotatia este zero, gaura neagra este perfect rotunda si solutia este identica cu solutia Schwarzschild. Daca rotatia este diferita de zero, gaura neagra se bombeaza spre exterior la ecuatorul sau (la fel cum pamantul sau soarele se bombeaza datorita rotatiei lor) si cu cat se roteste mai repede, cu atat se bombeaza mai mult. Astfel, pentru a extinde rezultatul lui Israel ca sa includa corpurile rotitoare, s-a presupus ca orice corp rotitor care sufera un colaps formand o gaura neagra ar ajunge in cele din urma la o stare stationara descrisa de solutia Kerr.

Singurul care a demonstrat aceasta ipoteza este Stephen Hawking. El a aratat ca, in cazul in care o gaura neagra rotitoare are o axa de simetrie, ca un titirez, dimensiunea si forma sa ar depinde numai de masa si viteza sa de rotatie. Apoi, a demonstrat ca orice gaura neagra rotitoare stationara ar avea intr-adevar o asemenea axa de simetrie.


Astfel, dupa colapsul gravitational o gaura neagra trebuie sa ajunga intr-o stare in care ea poate fi rotitoare, dar nu pulsanta. Mai mult, dimensiunea si forma sa ar depinde numai de masa si viteza sa de rotatie si nu de natura corpului care a suferit colapsul formand-o. Acest lucru a devenit cunoscut prin maxima "O gaura neagra nu are par". Teorema "fara par" este de mare importanta practica, deoarece restrange foarte mult tipurile posibile de gauri negre. Prin urmare, se pot elabora modele detaliate de obiecte care pot contine gaurile negre, si prezicerile modelelor se pot compara cu observatiile. Aceasta mai inseamna ca atunci cand se formeaza o gaura neagra se pierde o cantitate foarte mare de informatii privind corpul care a suferit colapsul, deoarece dupa aceea putem masura numai masa si viteza de rotatie a corpului.

Gaurile negre reprezinta unul din foarte putinele cazuri din istoria stiintei in care teoria a fost elaborata foarte detaliat ca un model matematic, inainte de a exista vreo dovada experimentala a corectitudinii sale. Intr-adevar, acesta era principalul argument al celor care erau impotriva gaurilor negre: cum ar putea cineva sa creada in existenta unor obiecte pentru care singura dovada o constituie calculele bazate pe teoria dubioasa a relativitatii generalizate?
Intre timp,existenta gaurilor negre a fost demonstrata de diferite observatii si nu le enumar acuma pe toate, neavand intentia sa va plictisesc cu multitudinea exemplelor si a datelor tehnice. Cum am putea spera sa detectam o gaura neagra daca prin definitie ea nu emite nici o lumina? Ar fi ca si cum am cauta o pisica neagra intr-o pivnita intunecata. Din fericire, exista o cale: o gaura neagra isi exercita forta gravitationala asupra obiectelor din apropiere.

Astronomii au observat multe sisteme in care doua stele se deplaseaza pe orbite una in jurul celeilalte, atrase una spre cealalta de gravitatie. Ei au mai observat sisteme in care exista doar o stea vizibila care se deplaseaza pe orbita in jurul unui companion nevazut. Desigur, nu se poate conclude imediat ca acest companion este o gaura neagra: poate fi pur si simplu o stea care este prea slaba pentru a fi vazuta. Totusi, unele dintre aceste sisteme, ca acela numit Cygnus X-l sunt, de asemenea, surse puternice de raze X. Cea mai buna explicatie pentru acest fenomen este ca materia de la suprafata stelei vizibile a fost aruncata in afara. Cand ea cade catre companionul nevazut, are o miscare in spirala (asa cum se scurge apa dintr-o baie) si devine foarte fierbinte, emitand raze X. Pentru ca acest mecanism sa lucreze, obiectul nevazut trebuie sa fie foarte mic, ca o pitica alba, stea neutronica sau gaura neagra. Din orbita observata a stelei vizibile se poate determina masa cea mai mica posibila a obiectului nevazut. In cazul lui Cygnus X-l, aceasta era de sase ori masa soarelui, care, conform rezultatului lui Chandrasekhar este prea mare pentru ca obiectul nevazut sa fie o pitica alba. El are, de asemenea, o masa prea mare pentru a fi o stea neutronic. Prin urmare, se pare ca trebuie sa fie o gaura neagra.

Exista si alte modele care explica Cygnus X-l, care nu includ o gaura neagra, dar ele sunt cam fortate. O gaura neagra pare a fi singura explicatie naturala a observatiilor. In ciuda acestui fapt, Hawking a facut pariu cu Kip Thorne de la Institutul de Tehnologie din California ca, de fapt, Cygnus X-l nu contine o gaura neagra. Aceasta este ca o polita de asigurare pentru el. A lucrat foarte mult la gaurile negre si totul ar fi fost o pierdere daca ar reiesi ca gaurile negre nu exista. Dar, in acel caz, ar avea consolarea ca a castigat pariul, care i-ar aduce un abonament pe patru ani la revista Private Eye. Daca gaurile negre exista, Kip va obtine un abonament pe un an la Penthouse. In 1975, cand a facut pariul, erau 80% siguri ca Cygnus era o gaura neagra. Acum as spune ca sunt 95% siguri, dar pariul nu s-a terminat inca.


De asemenea, avem acum dovada existentei catorva gauri negre in sisteme ca Cygnus X-l din galaxia noastra si din doua galaxii invecinate numite Norii lui Magellan. Totusi, numarul gaurilor negre este aproape sigur mult mai mare. In lunga istorie a Universului, multe stele trebuie sa-si fi ars tot combustibilul nuclear si sa fi suferit un colaps. Numarul gaurilor negre poate fi mult mai mare chiar decat numarul stelelor vizibile, care reprezinta circa o suta de miliarde numai in galaxia noastra. Atractia gravitationala suplimentara a unui numar atat de mare de gauri negre ar putea explica de ce galaxia noastra se roteste cu viteza pe care o are, masa stelelor vizibile este insuficienta pentru a explica aceasta. Avem, de asemenea, unele dovezi ca in centrul galaxiei noastre exista o gaură neagra mult mai mare, cu o masa de circa o suta de mii de ori mai mare decat aceea a soarelui. Stelele din galaxie care se apropie prea mult de aceasta gaura neagra vor fi sfaramate de diferenta dintre fortele gravitationale de pe fetele apropiata si indepartata. Ramasitele lor si gazul aruncat de alte stele vor cadea spre gaura neagra. Ca si in cazul lui Cygnus X-l, gazul se va deplasa pe o spirala spre interior si se va incalzi, desi nu asa de mult ca in acel caz. El nu va ajunge destul de fierbinte pentru a emite raze X, dar ar putea explica sursa foarte compacta de unde radio si raze infrarosii care se observa in centrul galactic.

Se crede ca in centrul quasarilor exista gauri negre similare, dar si mai mari, cu mase de sute de milioane de ori mai mari decat masa soarelui. Materia care cade intr-o astfel de gaura neagra supermasiva ar reprezenta singura sursa de putere destul de mare pentru a explica enorma cantitate de energie pe care o emit aceste obiecte. Deplasarea in spirala a materiei in gaura neagra ar face ca aceasta sa se roteasca in aceeasi directie, determinand crearea unui camp magnetic asemanator cu cel al pamantului. Particule cu energie foarte inalta ar fi generate langa gaura neagra de materia care cade inauntru. Campul magnetic ar fi atat de puternic incat ar putea focaliza aceste particule in jeturi aruncate spre exterior de-a lungul axei de rotatie a gaurii negre, adica in directiile polilor sai nord si sud. Astfel de jeturi sunt observate intr-adevar in mai multe galaxii si quasari.

Se poate considera, de asemenea, cazul in care ar putea exista gauri negre cu mase mult mai mici decat cea a soarelui. Aceste gauri negre nu pot fi formate prin colaps gravitational, deoarece masele lor sunt sub masa limita Chandrasekhar: stelele cu masa atat de scazuta se pot sustine singure contra fortei de gravitatie chiar atunci cand si-au epuizat combustibilul nuclear. Gaurile negre cu masa scazuta se puteau forma numai daca materia era comprimata la densitati enorme de presiuni exterioare foarte mari. Aceste conditii s-ar putea produce intr-o bomba cu hidrogen foarte mare. Fizicianul John Wheeler a calculat odata ca, daca cineva ar lua toata apa grea din toate oceanele lumii, ar putea construi o bomba cu hidrogen care ar comprima materia in centru atat de mult incat s-ar crea o gaura neagra. (Desigur, nu ar mai ramane nimeni sa o observe!)
O posibilitate mai practica este ca astfel de gauri negre cu masa mica s-ar fi putut forma la presiunile si temperaturile inalte ale Universului foarte timpuriu. Gaurile negre s-ar fi format numai daca Universul timpuriu nu ar fi fost neted si uniform, deoarece numai o regiune mica ce era mai densa decat media putea fi comprimata astfel pentru a forma o gaura neagra. Dar noi stim ca trebuie sa fi existat unele neregularitati, deoarece altfel materia din Univers ar mai fi inca si acum distribuita perfect uniform, in loc de a fi grupata in stele si galaxii.
Faptul ca neregularitatile necesare pentru explicarea stelelor si galaxiilor, au dus sau nu, la formarea unui numar semnificativ de gauri negre "primordiale" depinde evident de detalii ale conditiilor din Universul timpuriu. Astfel, daca am putea determina cat de multe gauri negre primordiale exista acum, am invata o multime despre etapele foarte timpurii ale Universului. Gaurile negre primordiale cu mase mai mari decat un miliard de tone (masa unui munte mare) ar putea fi detectate numai prin influenta lor gravitationala asupra celeilalte materii, vizibile, sau asupra expansiunii universului. Totusi,
in realitate, gaurile negre nu sunt deloc negre: ele stralucesc ca un corp fierbinte si cu cat sunt mai mici cu atat stralucesc mai mult. Astfel, paradoxal, rezulta ca, gaurile negre mai mici pot fi mai usor detectate decat cele mari!

[Perseida]

NASA - Image of the the Day - Gallery