W poprzednim artykule, opisywałem koncepcję czarnej dziury. W krótkim tekście przedstawiłem drogę zaczynającą się od prostych praw fizyki, a kończącą na obiekcie tak gęstym, że nawet światło nie jest w stanie się z niego wydostać. Artykuł ten, możecie znaleźć tutaj. Jeśli nie macie zielonego pojęcia czym są czarne dziury, to warto go przeczytać, zanim zabierzecie się za ten tekst.

Sam przepis na czarną dziurę wydaje się prosty – wziąć jak największą masę i zgnieść tak mocno jak to jest możliwe, a nawet jeszcze bardziej.

Przykładowo, Ziemia ściśnięta do rozmiarów kuleczki, o promieniu 9mm stałaby się czarną dziurą. W przypadku Słońca, promień ten wynosi około 3km. Zakładamy, że masa nie ulega zmianie.

Jednak to co wydaje się proste w teorii, w praktyce już takie nie jest. Ciężko wyobrazić sobie proces prowadzący do tak znacznego zmniejszenia wymiarów ciała niebieskiego. Mimo to, taki proces musi istnieć.

Zanim do niego dojdziemy, muszę się z czegoś wytłumaczyć.

Ten tekst powstawał trzy razy. Po napisaniu pierwszej wersji, stwierdziłem, że jest za długi i porusza zbyt wiele spraw, które nie do końca musi poruszać. Przekaz, który miał być konkretny zrobił się trochę niejasny. Najważniejsze fakty, umknęły w gąszczu innych, niezbyt istotnych.

Potem powstała druga wersja, znacznie krótsza. Ale nie stanowiła jakiegoś logicznego ciągu myślowego, rzucałem faktami na lewo i prawo, nie za bardzo wyjaśniając ich pochodzenie.

W końcu napisałem kolejną wersję, tę którą macie zamiar czytać. Jest najdłuższa ze wszystkich i posiada podobne wady co pierwsza. Poruszam tu wiele faktów, nie do końca potrzebnych.

O czarnych dziurach jest tylko ostatni rozdział. Wszystko co jest przedtem stanowi swego rodzaju przygotowanie. Są to rozważania, dlaczego gwiazdy i planety nie stają się czarnymi dziurami, choć siły grawitacji bardzo starają się aby nimi zostały.

Przekaz może być trochę rozwodniony. Ale zachęcam do przeczytania.

Wiem, że to trochę słabe, tłumaczyć się ze swojego tekstu, znając jego wady. Ale to jest blog :). Mogę tu pisać co mi się tylko podoba. Więc wiecie… Macie się odwalić :P.

Po tym optymistycznym wstępie zapraszam do lektury.

O równowadze we Wszechświecie

Zakątek Wszechświata w jakim żyjemy jest dość spokojnym miejscem: Słonko świeci, ptaszki śpiewają, nic dużego nam na głowę nie spada (zbyt często).

Ziemia nie zapada się, Słońce trzyma się w względnej kupie, nie rozlatuje się na boki. Wszystko co jest na Ziemi, nie ulatuje w kosmos. Siły grawitacji skutecznie trzymają nas przy powierzchni. Trzeba dużej energii by je pokonać.

Z drugiej strony, ludzie nie zapadają się pod Ziemię, sama Ziemia nie zapada się w sobie, chociaż grawitacja usilnie próbuje to zrobić.

Co ją powstrzymuje? Dlaczego nie zapadamy się w podłogę?

Odpowiedź wydaję się banalna - materia jest zwarta i stawia opór. To dość rozsądna uwaga, jednak nie całkowicie prawdziwa. Materia rzeczywiście stawia opór, ale nie jest zwarta. Ziemia składa się z atomów, a te nie są zbyt gęste.

Przykładowo, jeśli powiększylibyśmy atom węgla do rozmiarów stadionu piłkarskiego, takiego jak Narodowy w Warszawie. To jądro takiego atomu, byłoby rodzynkiem, położonym na środku boiska. Natomiast elektrony, mielibyśmy szansę spotkać dopiero gdzieś w okolicach zewnętrznych trybun. Między nimi, zostaje jeszcze sporo wolnego miejsca.

Ziemia jest pusta, a przecież nie uwzględniliśmy jeszcze przerw między atomami. Mimo to, nasze nogi nie zapadają się pod powierzchnię, coś przeszkadza grawitacji w wbiciu nas w grunt.

Ok, atomy są puste, ale dalej widok zapadającej się Ziemi jest trochę sprzeczny z zdrowym rozsądkiem. Dlaczego w ogóle rozważać, że taki scenariusz może się zdarzyć?

No cóż, zapadający się grunt wcale nie jest taki rzadki. Niektóre budynki z czasem osiadają w ziemi. Podobnie, jak rzeczy rzucone w piasek, potrafią zanurkować na kilka centymetrów.

Wszystko to z powodu grawitacji, Ziemia przyciąga każdy obiekt w jej pobliżu z pewną siłą, zwykle jest niewielka, ale czasami może się stać na tyle duża, by przezwyciężyć siły odpowiadające za trwałość gruntu.

Ciało o masie 1kg jest przyciągane przez Ziemię z siłą około 10N. Jeśli chcecie wiedzieć jak to obliczyć, możecie zobaczyć, po kliknięciu tutaj.

Gdyby Ziemia była bardziej zwarta, np. miałaby promień 1km, siła grawitacji na jej powierzchni byłaby o wiele wyższa.

Wtedy obiekt o masie 1 kg byłby przyciągany z siłą 400 milionów newtonów (4x10^8 N)! Czyli 40 milionów razy większą niż obecnie. Odpowiada to naciskowi ciała o masie 40 tysięcy ton na powierzchnię rzeczywistej Ziemi.

Łatwo sobie wyobrazić, że taki ciężar, szczególnie jeśli zamknięty w jakiejś niewielkiej objętości, mógłby dość łatwo odkształcić powierzchnię Ziemi i zapaść się pod nią.

Teraz wyobrażamy sobie, że Ziemia działa z taką siłą, na każdą grudkę, każdy kamyk, który tworzy jej powierzchnię.

Dość łatwo można uzmysłowić sobie, do czego to doprowadzi. Ziemia zapadanie się w sobie. Podczas zapadania, zmniejsza się jej promień, a tym samym zwiększa się siła grawitacji na jej powierzchni – nasilając proces zapadania i tak dalej.

No dobra, ale Ziemia nie ma promienia jednego kilometra, jest większa. Więc siła grawitacji działająca na niewielkie obiekty jest mała. Na tyle, że nie może sprasować naszej planety.

Siła grawitacji rzeczywiście jest mniejsza, ale mimo to, cały czas działa i próbuje zgnieść Ziemię. Coś musi stać jej na przeszkodzie i zapobiegać zapadaniu się powierzchni. Problem może wydawać się trochę wydumany i banalny, ale zapewniam, że taki nie jest.

W poniższych rozdziałach postaram się po kolei, opisać czynniki zapobiegające zapadaniu się różnych ciał niebieskich. Zaczynając od tych najmniej zwartych, kończąc na ekstremalnie gęstych.

W każdym z tych przypadków, będę zwracał uwagę na pewne stany równowagi, które się wytworzą. Miedzy zgniatającą siłą grawitacji, a siłami generującymi odwrotny efekt. W zasadzie o tym jest cały ten tekst.

O równowadzie gwiazd

Wyobraźmy sobie obłok gazu i pyłu, zawieszony gdzieś w przestrzeni kosmicznej. Jest on bardzo rozproszony, składa się głównie z wodoru, niewielkiej ilości helu oraz innych pierwiastków. Każda cząsteczka, która tworzy obłok ma masę, a więc przyciąga grawitacyjnie inne.

Powoli, cząsteczki zbliżają się do siebie tworząc skupiska. Jedna są większe, drugie mniejsze. Obłoki łączą się ze sobą tworząc jeszcze większe. Możemy już wyróżnić kilka chmur – jedna ogromna, znajdująca się w środku, oraz kilka mniejszych, razem tworzących coś w rodzaju dysku wirującego dookoła centralnej ogromnej chmury.

Tak mniej więcej wyglądał nasz Układ Słoneczny w początkowych fazach swojej ewolucji.

Z mniejszych obłoków powstaną planety, ale my skupimy się tylko na tym centralnym – zalążku Słońca.

Każda cząsteczka centralnego obłoku przyciąga grawitacyjnie inne. Chmura która początkowo była dość rozlazła, staje się bardziej zwarta.

Proces ten się nasila – więcej cząsteczek znajduje się blisko siebie, więc coraz mocniej przyciągają inne.

Wzrasta ciśnienie wewnątrz obłoku, wzrasta też temperatura. W pewnym momencie staje się na tyle wysoka (w przypadku gwiazd wystarczy 15 mln kelwinów) że umożliwia rozpoczęcie reakcji termojądrowej (fuzji) w centralnej części obłoku.

Atomy wodoru łączą się ze sobą, tworząc hel. Wydzielana jest przy tym ogromna energia, tak samo jak przy wybuchu bomby wodorowej. W zasadzie to jest wybuch bomby wodorowej.

Ogromna ilość eksplozji wstrząsa obłokiem, powodując jego świecenie. W tej chwili, zwykła chmura gazu, staje się gwiazdą.

Aktywność Słońca 31 sierpnia 2012 roku.

Film nagrany przez satelitę SDO (Solar Dynamics Observatory)

Grawitacja dalej chciałaby skompresować gwiazdę, jednak nie może tego zrobić, gdyż przeszkadzają jej w tym wybuchy termojądrowe, które wytwarzają ciśnienie od wewnątrz. Trudno jest zgnieść coś co cały czas wybucha.

Wytwarza się stan równowagi.

Grawitacja nie pozwala na rozpadnięcie się gwiazdy, gdyż cały czas trzyma ją w kupie. Z drugiej strony wybuchy termojądrowe zapobiegają dalszemu kurczeniu się gwiazdy.

Taki stan równowagi może trwać od kilkuset tysięcy lat, do nawet kilkudziesięciu miliardów. W zależności od rozmiarów gwiazdy.

Większe gwiazdy żyją krócej, podczas gdy mniejsze, takie jak Słońce trwają około 10 miliardów lat.

Nasza gwiazda przeżyła już mniej więcej połowę tego okresu.

Co następuje potem?

Cóż, gwiazda utrzymuje swoją formę dzięki reakcjom fuzji wodoru w jej jądrze. Jednak zapasy tego pierwiastka we wnętrzu gwiazdy nie są nieskończone.

W końcu duża część wodoru w jądrze gwiazdy zamieni się w hel. Paliwo pozwalające na jej świecenie ulegnie wyczerpaniu. A temperatura w środku nie jest jeszcze dość wysoka by rozpocząć reakcję fuzji helu.

Eksplozje termojądrowe są coraz słabsze, grawitacja przejmuje stery, jądro gwiazdy się kurczy -> wzrasta ciśnienie -> wzrasta temperatura. W końcu jądro jest tak gorące, że zaczyna ogrzewać zewnętrzne warstwy gwiazdy okalające jądro. Ich temperatura staje się na tyle wysoka, że możliwa jest reakcja fuzji tego wodoru, który pozostał w zewnętrznych warstwach.

Eksplozje termojądrowe wstrząsają gwiazdą na nowo, tym razem nieco bardziej zewnętrznymi obszarami. Gwiazda rozdyma się do ogromnych rozmiarów, jednocześnie się ochładza.

Staje się czerwonym olbrzymem.

Słońce w tą fazę wejdzie za nieco ponad 5 miliardów lat. Jego rozmiary wzrosną 100-krotnie, zewnętrzne warstwy Słońca pochłoną Merkurego, a może nawet Wenus. Oczywiście w tym momencie życie na Ziemi już nie będzie możliwe, właściwie to przestanie być dużo wcześniej. Ale tym się nie przejmujemy, nie o tym jest ten tekst.

Słońce w takim stanie będzie trwać przez około miliard lat, wytworzył się ponownie stan równowagi, tym razem trochę mniej stabilny.

Po pewnym czasie jądro, składające się już głównie z helu, zapada się znowu, osiąga temperaturę około 100 milionów stopni. Jest to wystarczająca wartość do rozpoczęcia reakcji fuzji helu, która przebiega bardzo gwałtownie. W zasadzie, w czasie kilku godzin większość helu zawartego w jądrze przemienia się w węgiel oraz trochę tlenu.

Pominę tutaj kilka kroków podając efekt końcowy.

Zewnętrzne warstwy gwiazdy się rozwiewają, odsłaniając niewielkie węglowo-tlenowe jądro. Jedyną rzecz, która pozostała w miejscu niedawnej gwiazdy. Takie odsłonięte, wypalone jądro nazywamy białym karłem. Jest ono niezbyt wielkie (rozmiary Ziemi), ale za to bardzo gęste.

Do białego karła jeszcze wrócimy.

W całym tym wywodzie chciałem tylko zwrócić uwagę na pewne stany równowagi jakie osiąga gwiazda.

Siły grawitacji próbują skurczyć gwiazdę, jednocześnie eksplozje termojądrowe jej w tym przeszkadzają. Osiągana jest równowaga.

O równowadzie gazowych olbrzymów

Opisując proces powstawania gwiazdy przywołałem obraz wielkich obłoków gazu unoszących się w przestrzeni. Najpotężniejszy z nich utworzył Słońce, ale istniały jeszcze inne, trochę mniejsze, gdzieś na uboczu.

Większe z nich, uformowały się w gazowe olbrzymy – czyli planety typu Jowisza, bądź Saturna. Planety te są jedną wielką chmurą gazu, nie mającą powierzchni na której można by stanąć.

Powstały podobnie jak Słońce, jednak w dużo mniejszej skali.

Cząsteczki gazu przyciągały się grawitacyjnie, formując planetę. Jednak ma ona zbyt małą masę (Jowisz jest tysiąc razy lżejszy od Słońca), by w jej jądrze mogła rozpocząć się reakcja termojądrowa.

Jądro nie jest dostatecznie mocno ściskane, by temperatura w nim wzrosła do punktu pozwalającego na fuzję wodoru.

Ale mimo to Jowisz się nie zapada. Przypomnę tylko, że w przypadku gwiazd eksplozje termojądrowe powstrzymują je przed zapadaniem. Tutaj nie ma tego czynnika.

Grawitacja cały czas próbuje zgnieść planetę, jednak w pewnym momencie coś stoi jej na przeszkodzie. Co to takiego?

Jest to ciśnienie gazu tworzącego planetę. Cząsteczki gazu są przyciągane grawitacyjnie do środka planety, ku największej masie. W miarę zagęszczania się gazu wzrasta jego ciśnienie, które zapobiega dalszemu zapadaniu się planety.

Podobnie jak powietrze w oponie rowerowej. Kiedy ciśnienie wewnątrz jest niskie – rower ma „flaka”, natomiast kiedy dopompujemy trochę powietrza – zwiększając ciśnienie – opona zaczyna puchnąć. Kiedy siadamy na rowerze, opona ugina się pod naszym ciężarem, mimo to – jeśli dobrze dopompowaliśmy – opona nie flaczeje. Warstwa powietrza w jej środku skutecznie opiera się naszemu ciężarowi.

Tak samo jest na Jowiszu, mimo że grawitacja stara się sprasować cały gaz, nie może tego zrobić, gdyż przeciwstawia się jej jego ciśnienie.

No dobra, ciśnienie, ciśnienie. Ale czym właściwie ono jest? Kilka razy o nim wspominałem, podobnie jak o temperaturze. Mamy zapewne jakieś intuicyjne pojmowanie co znaczą te dwie wielkości, ale nie każdy zdaje sobie sprawę z czego one wynikają, chociaż to wiedza z podstawówki.

Oczywiście Wy wiecie czym jest temperatura i ciśnienie :), jesteście inteligentnymi czytelnikami.

Ale mimo to przypomnę.

Dygresja o ciśnieniu i temperaturze

Wyobraźmy sobie szczelnie zamknięty sześcienny pojemnik. Jego ściany są solidne i nieprzepuszczające ciepła.

W środku znajduje się gaz. Gaz jest zbieraniną małych cząsteczek. Poruszają się wewnątrz pojemnika, latają we wszystkie strony.

Odbijają się od siebie nawzajem, oraz od ścian pojemnika. Podobnie jak rój pszczół zamknięty w jakimś niewielkim pomieszczeniu.

Każde uderzenie cząsteczki gazu w ścianę ma jakąś siłę, pojemnik „odczuwa”, że miliardy cząsteczek bezustannie biją w jego ścianki.

Podobnie jak piłka kopnięta w mur. Pojedyncze uderzenie piłki w mur nie robi na nim większego wrażenia. Jednak jeśli tysiąc takich piłek cały czas by go obijało. To z murem mogłoby się coś stać – mógłby pęknąć, lub zostać przesunięty. Nawet, jeśli jest solidny i dobrze zamocowany, to w jakiś sposób te uderzenia odczuwa. Piłki działają na niego pewną siłą, związaną z ich prędkością. Im prędkość piłki jest większa, tym uderzenie silniejsze. Analogicznie, im piłek więcej – tym większa siła działa na jednostkę powierzchni muru.

Tak samo jest z naszym pojemnikiem.

Wszystkie cząsteczki gazu działają na jednostkę powierzchni ścianki pewną siłą. I właśnie tą siłę nazywamy ciśnieniem.

Na ścianki pojemnika działa ciśnienie.

Jeśli cząsteczek jest więcej – uderzają w ścianki częściej – w efekcie ciśnienie rośnie. Z drugiej strony ciśnienie maleje jeśli cząsteczek jest mało.

Tak samo jest z prędkością cząsteczek, jeśli uderzają szybko i mocno – ciśnienie jest duże. Jeśli słabo – ciśnienie małe.

Wyobraźmy sobie, że zwiększamy pojemność naszego pojemnika. Zwiększając objętość – zwiększamy powierzchnie ścianek. W efekcie – liczba cząsteczek uderzających w jednostkę powierzchni maleje. Mają więcej miejsca do obijania, a cząsteczek jest tyle samo. Poza tym, więcej czasu spędzają na locie od ścianki do ścianki. Ciśnienie maleje.

Z drugiej strony jeśli zmniejszymy powierzchnię ścianek, ciśnienie wzrośnie. Więcej cząsteczek będzie uderzać w jednostkę powierzchni.

Wywalmy teraz jedną ze ścianek i zastąpmy ją tłokiem (ścianą która może się przesuwać).

Cząsteczki uderzają w tłok, ten pod ich naporem zaczyna się przemieszczać. Część energii (kinetycznej) cząsteczki zostaje zużyta na przesunięcie tłoka.

Cząsteczki wykonują jakąś pracę – maleje ich energia, jeśli maleje ich energia, maleje też ich prędkość. W końcu energia cząsteczek będzie na tyle mała, że nie będą w stanie już poruszyć tłoka, gdyż siły tarcia działające na tłok stawiają opór.

Cząsteczki przesunęły tłok, zwiększając objętość pojemnika, jednocześnie zmniejszając swoją prędkość. Ciśnienie zmalało. I to nawet z dwóch powodów.

Teraz sytuacja odwrotna – to my poruszamy tłokiem. Wciskamy go do środka pojemnika, jak w pompce rowerowej. Zmniejsza się objętość pojemnika – rośnie ciśnienie.

Pchając tłok, dostarczamy też energię cząsteczkom. Podobnie jak kopiąc piłkę, nadajemy jej energię kinetyczną. Tak w tym wypadku, „kopiemy” cząsteczki tłokiem. Wykonaliśmy pracę na zwiększenie energii kinetycznej cząsteczek. Poruszają się one szybciej – ciśnienie również rośnie. W pewnym momencie energia cząsteczek będzie tak duża, że nie będziemy mieli już siły jej pokonać. Nie będziemy w stanie dalej przesunąć tłoka (spróbujcie poruszyć pompką rowerową z zatkanym wylotem).

Ciśnienie w środku wzrosło, jak i energia kinetyczna (ruchu) cząsteczek gazu. Te dwie wielkości są ze sobą ściśle związane.

Wielkość związaną ze średnią prędkością cząsteczek, nazywamy temperaturą.

Jeśli cząsteczki gazu poruszają się szybko (mają wysoką energię) temperatura jest wysoka, a jeśli powoli – temperatura jest niska.

Tłumaczy to też istnienie najmniejszej możliwej temperatury, zera absolutnego (0 kelwinów = -273,15°C). Przy takiej temperaturze cząsteczki w zasadzie się nie poruszają (nie uwzględniamy drgań kwantowych).

W przypadku ciał stałych temperaturę definiują drgania cząsteczek. W zasadzie to też w pewnym sensie ich prędkość. Im mocniej drgają, tym wyższa temperatura.

No dobra, ciśnienie i temperatura wyjaśnione, przejdźmy w końcu do tego Jowisza, bo do czarnych dziur jeszcze daleka droga.

W planetach gazowych role ścianek pojemnika oraz tłoka odgrywa grawitacja.

Działa ona na cząsteczki gazu pewną siłą, zwiększając ich prędkość i ciągnąc do środka. Cząsteczki odbijają się od siebie, przeszkadzają sobie nawzajem. Zmienia się ich tor ruchu, czasami lecą w górę, wytracając prędkość, tracąc energię.

Wytwarza się stan równowagi, tak samo jak w eksperymencie z pompką do roweru z zatkanym wlotem. Grawitacja nie ma dostatecznej siły by bardziej sprasować gaz, tak jak my nie mieliśmy siły by poruszyć tłokiem pompki, kiedy powietrze w jej środku było dostatecznie sprężone.

Gaz z którego składa się Jowisz ma większe ciśnienie (czyli temperaturę też) w centrum planety, niż w jej zewnętrznych warstwach. Jednak nawet tam temperatura nie jest dostatecznie wysoka by rozpocząć reakcję termojądrową. Słońcu się to udało, bo jest masywniejsze i kompresowało gaz mocniej.

Ale stan równowagi powstał, tym razem nie wytwarzają go wybuchy, tylko ciśnienie gazu.

O nieprzenikalności materii

Ok, napisałem trochę o cząsteczkach odbijających się od ścianek, oraz od siebie nawzajem. Jak to się ma do faktu, o którym wspomniałem na początku artykułu? Mianowicie, że materia jest w rzeczywistości pusta w środku. Atomy składają się w większości z pustej przestrzeni.

Więc jak jedna cząsteczka może się odbijać jedna od drugiej?

Rozważmy jakiś prosty atom, np. helu. Składa się on z jądra, które zawiera dwa protony + ewentualnie jakieś neutrony. Dookoła jądra wesoło fruwają sobie elektrony, w tym wypadku dwa.

Między nimi jest dużo pustej przestrzeni, w zasadzie to 99,99% atomu to pusta przestrzeń.

Zwykle atom wyobrażamy sobie atom jako mały układ planetarny, w środku jest coś dużego natomiast dookoła niego krążą mniejsze satelity – elektrony.

Nie jest to do końca prawdziwy model, w rzeczywistości elektrony nie znajdują się w żadnym konkretnym miejscu. Są raczej „rozsmarowane” po całej orbicie. Można określić jedynie prawdopodobieństwo gdzie można je spotkać.

Protony oraz elektrony generują pole elektromagnetyczne dookoła siebie. Protony dodatnie, natomiast elektrony ujemne.

Ładunki o przeciwnym znaku się przyciągają. Mniej więcej dlatego, ujemny elektron trzyma się przy dodatnim jądrze.

Z drugiej strony, jednoimienne ładunki się odpychają. Elektrony generują ujemne pole elektromagnetyczne na powłoce elektronowej. Jeśli dwa atomy zbliżą się do siebie dostatecznie blisko, odczują odpychającą siłę, próbującą oddalić te dwa atomy od siebie.

Podobnie jest samymi jądrami, dwa jądra zbliżające się ku sobie, zaczną się od siebie odpychać, z uwagi na dodatni ładunek elektryczny każdego z nich.

Zatem, cząsteczki odbijające się od siebie nie mają ze sobą „fizycznego” kontaktu. Jedna nie musi dokładnie trafić w drugą by się od niej odbić. Wystarczy, tylko że odczuwają pole elektromagnetyczne, które generują.

Nie jest to jeszcze całkowita odpowiedź. W nieprzenikalności materii dużą rolę odgrywa zasada, zwana „zakazem Pauliego”. O niej jeszcze będzie za chwilę.

Teraz, mając już pewną wiedzę na temat wzajemnych oddziaływań, możemy dokładniej omówić reakcje termojądrowe, które występują w gwiazdach.

W ogóle co to jest ta reakcja termojądrowa?

Występuje ona wtedy, kiedy dwa jądra jakiegoś lekkiego pierwiastka zbliżą się do siebie na tak bliską odległość, że mogą je przechwycić siły jądrowe – czyli te które trzymają jądro w kupie. Siły te nazywamy oddziaływaniem silnym.

Przy procesie łączenia się jąder (ich fuzji) wydzielana jest duża energia. Dlatego Słońce wybucha (i bomby wodorowe też).

Aby jądra mogły się zbliżyć do siebie, muszą pokonać odpychające siły elektromagnetyczne związane z dodatnim ładunkiem jąder.

Siły te nie są nieskończenie silne, w pewnych warunkach możne je pokonać.

Temperatura we wnętrzu gwiazdy osiągała astronomiczne wartości (15 mln kelwinów). W takich warunkach materia osiąga nowy stan skupienia, mianowicie staje się plazmą. Oznacza to, że atomy wodoru, z których składa się gwiazda zostają pozbawione elektronów. Mamy do czynienia tylko z samymi jądrami atomowymi (właściwie to elektrony się tam znajdują, ale nie są związane w atomach).

Wysoka temperatura, wiąże się z dużymi energiami. Jądra wodoru, które biorą udział w reakcji fuzji, poruszają się z ogromną prędkością. Na tyle wysoką, że umożliwia ona przezwyciężenie dodatnio naładowanego pola elektromagnetycznego i zbliżenie dwóch jąder blisko siebie. Wtedy przechwytują je, działające na krótki dystans siły jądrowe, wiążąc jądra w jedno, większe. Przy okazji wydzielana jest energia.

I w taki oto sposób doszło do fuzji wodoru, zamieniając go w hel. A wszystko dzięki przezwyciężeniu sił elektromagnetycznych.

Można to pociągnąć dalej. Dlaczego hel wymaga wyższej temperatury do rozpoczęcia reakcji termojądrowej?

Cóż, jądro helu składa się z dwóch protonów, czyli generuje dwukrotnie silniejsze pole niż jądro wodoru. Dwa jądra helu muszą się do siebie zbliżyć ze znacznie większą prędkością by przezwyciężyć pole elektromagnetyczne podwojonego ładunku. Osiągają to dopiero przy temperaturze 100 mln kelwinów. W przypadku gwiazd.

Tłumaczy to także, dlaczego fuzja nie może zaistnieć w gazowych olbrzymach, energia poruszających się atomów jest zbyt niska by pokonać siły elektromagnetyczne.

O równowadze planet skalistych

Tu będzie krócej, w zasadzie cały teoretyczny wstęp zrobiłem już przy okazji gazowych olbrzymów.

Planety skaliste, czyli takie jak Ziemia.

Zadamy to samo pytanie co w wcześniejszych przypadkach:

Grawitacja ściska Ziemię, mimo to, ta się nie zapada. Co tym razem stawia opór?

Pluton

Co prawda nie planeta... ale skalista...

W zasadzie, proces podobny, jak u gazowych olbrzymów – elektromagnetyczne odziaływania między atomami, nie pozwalają na przeniknięcie jednego atomu w drugi.

Występują tylko niewielkie różnice. W przeciwieństwie do Jowisza, sporą część Ziemi, tworzą ciała stałe (chociaż Jowisz także ma niewielkie skaliste jądro).

W tym wypadku cząsteczki, nie latają sobie chaotycznie, tylko są twardo powiązane z innymi. Tworzą pewną strukturę. Czasami regularną, czasami mniej, ale zawsze zwartą i zdolną całkiem udanie opierać się grawitacji.

Poniżej kilka schematycznych rysunków przedstawiających budowę cząsteczkową materii w zależności od jej stanu skupienia.

Cząsteczki gazu

Tutaj cząsteczki gazu, poruszające się swobodnie, czasami odbijając się od siebie

Cząsteczki cieczy

Ciecz, cząsteczki ciasno upakowane, lecz ciągle możliwe są ich drgania

Cząsteczki cieczy

Ciało stałe, cząsteczki zamknięte w pewnej strukturze, powiązane wiązaniami.

Pewne wątpliwości mogą budzić te wiązania, zaznaczone przy ciele stałym. Wcześniej napisałem, że pole elektromagnetyczne atomu, powoduje ich wzajemne odpychanie. A tutaj, na rysunku, wyraźnie widać, że trzymają się blisko siebie i całkiem im z tym wygodnie.

W pewnych warunkach, niektóre pierwiastki lubią wiązać się z innymi. Nie przenikają jeden przez drugi, tylko dzielą się elektronami.

Jednym z pierwiastków, który dość łatwo wiąże się w dwuatomowe cząsteczki jest wodór. Taki występujący na Ziemi.

Poniżej na rysunku dwa atomy wodoru, połączone w jeden związek.

Dwuatomowa cząsteczka wodoru

Dwuatomowa cząsteczka wodoru

Jest to chyba najprostszy przykład związku chemicznego. Te, które tworzą skorupę ziemską w większości są znacznie bardziej rozbudowane. Mimo to, zasada działania jest identyczna. Atomy dzielą się elektronami, tworząc skomplikowane struktury. Ujemne elektrony są przechwytywane przez dodatnio naładowane jądra.

Co teraz opiera się sile grawitacji i chroni Ziemię przed zapadnięciem?

Odpowiedź jest właściwie ta sama, co przy gazowych olbrzymach – siły elektromagnetyczne, nie pozwalają na przeniknięcie jednego atomu w drugi, z tym, że tutaj więcej do powiedzenia ma zakaz Pauliego, o którym już za bliższą chwilkę.

W przypadku Jowisza, makroskopowym efektem działania sił elektromagnetycznych było ciśnienie gazu, tutaj możemy to określić jako… bo ja wiem, trwałość materii?

Należy dodać, że Ziemia ma też w sobie sporo pustej przestrzeni. Nie w takim sensie, że w atomach jest spora pustka. Bardziej chodzi mi o przerwy między atomami oraz związkami chemicznymi, te też mogą być znaczne.

Mimo to, Ziemia tworzy pewną strukturę, której spoiwem są siły elektromagnetyczne. I one skutecznie opierają się miażdżącym zamiarom grawitacji.

Myślę, że można to w miarę intuicyjnie pojąć.

Jest jeszcze kilka spraw wymagających uściślenia. Wcześniej napisałem, że jedne atomy, takie jak atom wodoru, chętniej wiążą się razem, podczas gdy inne są znacznie mniej towarzyskie. Z czego to wynika?

Klucz stanową tutaj elektrony, znajdujące się na orbitalach takiego atomu. Tworzą one powłoki elektronowe, na których może przebywać tylko pewna maksymalna ilość elektronów.

Dla przykładu, na pierwszej powłoce elektronowej mogą przebywać jedynie dwa elektrony, na drugiej 8, na trzeciej 18 i tak dalej.

Z perspektywy łatwości tworzenia związków, najważniejsze jest ostatnia powłoka. Jeśli, tak jak w przypadku atomu helu, jest szczelnie zapełniona, to taki atom praktycznie nie łączy się z innymi.

W atomie wodoru, na pierwszej, a zarazem ostatniej powłoce występuje tylko jeden elektron. A jest tam wystarczająco dużo miejsca by pomieścić dwa. Właśnie dlatego wodór chętnie przyłącza do siebie inne elektrony, tworząc związki. Dwa atomy wodoru dzielą się swoimi elektronami z czego powstaje dwuatomowa cząsteczka wodoru, taka jak na rysunku powyżej.

W zasadzie jest to elementarna wiedza z chemii, przywołałem ją tylko po to, by na jej bazie zajść nieco dalej.

O równowadze białych karłów

Dlaczego atomy mają wiele powłok elektronowych? Czy nie prościej byłoby, gdyby istniała wyłącznie jedna? Wodór ma jedną powłokę, tlen dwie, a uran aż 7, pomieszanie z poplątaniem. Z czego wynika taki bałagan?

Głównym winowajcą takiego stanu rzeczy jest Wolfgang Pauli, sformułował on pewną zasadę, która w dość precyzyjny sposób określa, jakie rozmieszczenie cząstek jest możliwe, a jakie nie.

Obecnie zasadę tą nazywamy regułą Pauliego, bądź zakazem Pauliego.

Mówi ona, że w danym układzie nie mogą występować jednocześnie fermiony o takich samych liczbach kwantowych.

A bardziej po ludzku i stosując zasadę tylko do elektronów:

Elektrony w atomie, nie mogą zajmować dowolnych powłok elektronowych, muszą zaczynać od najniższego poziomu i po kolei wspinać się na wyższe, po drodze zajmując wydzielone im miejsca.

Na pierwszej powłoce mogą się znajdować maksymalnie 2 elektrony, na drugiej 8, na trzeciej 18 i tak dalej. Nie ma możliwości by na pierwszej znalazły się 3 elektrony. Zakaz Pauliego wyklucza taką opcję.

Można to porównać do wielopiętrowego hotelu, którego dyrektor (nazwijmy go Pauli), wywiesił karteczkę:

„Pokoje należy zajmować po kolei, od najniższego piętra, a w jednym pokoju może przebywać tylko jeden gość”

Wcześniej pisałem, że za nieprzenikalność materii odpowiadają siły elektromagnetyczne, jest to prawda. Tylko, że siły elektromagnetyczne można pokonać, podczas gdy reguła Pauliego jest nie do ruszenia. No prawie.

Nawet jeśli użylibyśmy ogromnej siły, to nie da się wcisnąć jednego atomu w drugi. Miejsce na elektrony dookoła jądra jest ściśle określone i nie może przebywać tam coś „pomiędzy”.

Mając tą wiedzę, możemy przejść do białych karłów, na których skończyliśmy rozważania o równowadze gwiazd.

Przypominam, że biały karzeł jest końcowym etapem ewolucji gwiazd typu słonecznego. Po wypaleniu większości paliwa, gwiazda odrzuciła zewnętrzne warstwy, odsłaniając niewielkie, niezbyt jasne, powoli dogasające jądro – białego karła.

Nie zachodzą już w nim procesy termojądrowe, energia konieczna na zainicjowanie fuzji zawartych w nim pierwiastków (zwykle węgla) jest zbyt duża.

Co w takim razie powstrzymuje białego karła przed zapadaniem się?

W zasadzie historia jest podobna co w przypadku planet skalistych – siły elektromagnetyczne. Z tym, że w tym wypadku wyniesione na nieco wyższy poziom, wspomagane dodatkowo zakazem Pauliego.

Wróćmy do analogii hotelu.

Ziemię możemy przedstawić jako wielkie miasto w którym istnieją tylko i wyłącznie hotele. Niektóre z nich są puste, niektóre wypełnione tylko częściowo. Ogólnie, jest jeszcze sporo wolnego miejsca.

W przypadku białego karła, materia jest znacznie bardziej ściśnięta.

Wszystkie pokoje, we wszystkich hotelach są zajęte. W każdym z nich, przebywa jeden gość. Z uwagi na zakaz dyrektora Pauliego, gości nie można upakować gęściej.

Biały karzeł jest ściśle wypełniony atomami, prawie każde możliwe miejsce na powłokach elektronowych atomów jest zajęte. Nie ma już szans, by wcisnąć jakiś elektron, a tym samym atom, gdzieś pomiędzy.

Materię w taki sposób upakowaną, nazywamy materią zdegenerowaną. W tym wypadku zdegenerowaną z uwagi na elektrony.

Jest niezwykle gęsta. Pudełko zapałek, wypełnione taką zdegenerowaną materią miałoby masę 250 ton!

Zadajmy obowiązkowe pytanie - dlaczego biały karzeł nie zapada się pod wpływem grawitacji?

Ponieważ na przeszkodzie stoi zakaz Pauliego, elektrony nie mają już gdzie się zapadać w obrębie orbitalu atomowego. Ilość miejsca jest ściśle ograniczona.

Jeśli elektrony nie mogą, to wraz z nimi atomy także mają ten problem.

O równowadze gwiazd neutronowych

Białe karły powstają z gwiazd typu słonecznego.

Cięższe gwiazdy (co najmniej 8 mas Słońca) zostawiają po sobie coś masywniejszego, a tym samym mocniej ściskanego przez grawitację.

Gwiazda o takiej masie wybucha jako supernowa, a pozostaje po niej małe (promień około 10km), wygasłe, niezwykle gęste jądro, nazywane gwiazdą neutronową.

Choć, trudno w to uwierzyć, ma jeszcze większą gęstość niż biały karzeł. Łyżeczka materii gwiazdy neutronowej miałaby masę 6 miliardów ton!

Ale jak możliwe jest tak gęste upakowanie? Przecież zakaz Pauliego nie pozwalał na ściślejsze rozmieszczenie elektronów?

Powróćmy do hotelowej analogii.

Do hotelowego miasteczka, przybywa spora grupa studentów z politechniki. Wchodzą do hotelów, na widok karteczki z zakazem tylko się uśmiechają: „Przecież student to nie żaden gość, poza tym po co przepłacać za pokój? Pomieścimy się w jednym w parę osób.”

Wbijają do pokoi, przepędzają wcześniejszych gości, a tych, którzy nie zdążą uciec – zjadają (analogia musi być dokładna). Niszczą ściany i stropy, wypełniają każdą wolną przestrzeń w pokojach, wchodzą do piekarnika i na żyrandol. A ci, którzy się nie zmieścili – rozkładają się na korytarzu.

Łapią dyrektora hotelu – Pauliego – i grzecznie proszą go o pewien dopisek na karteczce z zakazem:

„Studenci mogą zająć każde dostępne miejsce jakie znajdą, ale nie więcej!”.

Materia we wnętrzu gwiazdy neutronowej jest tak ściśnięta przez siły grawitacji, że elektrony opuszczają swoje powłoki elektronowe i zostają wciśnięte do wnętrza protonów.

Proton z wepchniętym elektronem – staje się neutronem.

Neutron nie posiada ładunku elektrycznego (elektron zniwelował, dodatni ładunek protonu), oraz posiada minimalnie większą masę niż proton (z uwagi na wepchnięty elektron).

Neutrony zostają ściśle upakowane obok siebie, przez siły grawitacji i tworzą właściwie jedno wielkie jądro atomowe składające się praktyczne z samych neutronów. Gdzieniegdzie mógł się jeszcze zapodziać jakiś proton, lub ewentualnie inna cząstka, ale jest ich na tyle mało, że możemy je pominąć.

Jak na jądro atomowe, jego rozmiary są ogromne – promień rzędu 10 km. Natomiast w porównaniu do normalnych gwiazd, jego wielkość jest znikoma.

Zakaz Pauliego w zastosowaniu do elektronów został sprytnie ominięty. Przecież, we wnętrzu gwiazdy neutronowej nie ma już prawie elektronów, są tylko neutrony.

Co nie oznacza, że zakaz przestał obowiązywać. Obowiązuje nadal, tylko teraz ma zastosowanie do neutronów. Zapobiega ich przenikaniu się, jeden w drugi.

W gwieździe neutronowej, także mamy do czynienia z materią zdegenerowaną, tylko tym razem z uwagi na neutrony.

Czynnikiem powstrzymującym dalsze zapadanie się gwiazdy, jest zakaz Pauliego dotyczący neutronów.

O braku równowagi czarnych dziur

No i w końcu po ścianie nudnego tekstu doszliśmy do tematu z tytułu.

Po gwiazdach, gazowych olbrzymach, planetach skalistych, białych karłach, gwiazdach neutronowych przyszedł czas na obiekty o największej gęstości i najsilniejszym przyciąganiu grawitacyjnym.

Obiekty tak masywne i zwarte, że absolutnie nic, nawet światło, nie może wydostać się z ich wnętrza.

O koncepcji czarnych dziur pisałem we wcześniejszym artykule, jeśli go czytaliście powinniście wiedzieć, że czarna dziura powstaje wtedy gdy zbyt dużo masy znajduje się w zdecydowane za małym miejscu.

Istnieją, różne procesy, które mogą do tego doprowadzić.

Najbardziej powszechne są czarne dziury powstałe, jako ostatni etap ewolucji gwiazd o masie co najmniej 20 razy większej niż Słońce.

Gwiazda taka, przechodzi przez wszystkie etapy życia, jakie opisałem wcześniej. Po wypaleniu całego paliwa, wybucha jako supernowa. Materia, zostaje rozrzucona po olbrzymim obszarze. Jedyne co pozostaje, to niezwykle gęsty i masywny obiekt. Jeśli gwiazda miała mniejszą masę niż 20 Słońc – jest to opisana wcześniej gwiazda neutronowa. A jeśli masa gwiazdy była większa – to tym, co pozostało po wybuchu jest czarna dziura.

Pora na powrót do analogi hotelowej.

Czarna dziura, to hotel który się zawalił, z wszystkim co miał w środku. Ściąga do siebie wszystkie inne hotele z okolicy, niszcząc je również. Co istotne, proces zawalania się hotelu nie ma końca, trwa cały czas.

Jeśli z hotelu pozostały ruiny o wysokości metra, to zapadają się do poziomu 10 cm. Następnie te dziesięciocentymetrowe ruiny również się zapadają do jeszcze mniejszych rozmiarów. I tak dalej.

Proces zapadania się hotelu trwa w nieskończoność, dążąc do zerowych rozmiarów. Jeśli cokolwiek pojawi się w okolicach zawalającego się hotelu, zostaje wciągnięte do środka i samo zaczyna uczestniczyć w procesie zapadania.

Przekładając to na rzeczywisty obraz.

Po wypaleniu prawie całego paliwa, dostatecznie masywna gwiazda wybucha jako supernowa.

Odrzuca swoje zewnętrzne warstwy na ogromne odległości, które w przyszłości mogą być surowcem potrzebnym na powstanie kolejnej gwiazdy. Nas interesuje to co zostało w środku. Jest to bardzo masywny obiekt, który w przypadku wybuchu trochę lżejszej gwiazdy byłby gwiazdą neutronową.

Ale akurat ta, miała masę 20 razy większą od Słońca. To co po niej pozostało to czarna dziura i wielki bałagan dookoła.

Czym jest ta czarna dziura? Tutaj potrzebna jest wiedza z poprzedniego artykułu, który znajduje się tutaj.

Można powiedzieć, że w początkowej fazie czarna dziura była przez chwilkę gwiazdą neutronową. Jednak tak masywną, że prędkość ucieczki z któregoś jej miejsca przekraczała prędkość światła.

Pamiętacie tę historię z Ziemią z początku artykułu? Kiedy wszystko na jej powierzchni się zapadało powodując wzrost siły grawitacji – a tym samym dalsze zapadanie się gruntu.

To właśnie takie coś, dzieje się tutaj.

Wyobraźmy sobie, że wszystkie siły powstrzymujące gwiazdę przed zapadaniem znikają. Nie ma sił elektromagnetycznych, zakazu Pauliego itp. Stery przejmuje wyłącznie grawitacja, próbująca wszystko zgnieść.

Cała materia pod wpływem siły grawitacji zaczyna się zapadać do środka. Wraz z zagęszczaniem się materii rośnie również siła grawitacji z jaką środek przyciąga pozostałe obszary gwiazdy. Te również zapadają się.

Sam „środek” również cały czas się zagęszcza. Nie ma niczego co może powstrzymać grawitację, ta jest zbyt silna.

Cała gwiazda zapada się do wymiarów kulki o promieniu centymetra. Ale czego na tym poprzestać? Przecież nic nie może powstrzymać grawitacji. Gwiazda zapada się bardziej – do promienia 1mm, a potem jeszcze, cały czas dążąc do zerowych rozmiarów.

W nieskończoność.

Taki obiekt, zapadający się w sobie przez cały czas, nazywamy osobliwością.

Zapada się on w nieskończoność, jednak nie posiada nieskończonej masy. Zgarnia tylko to, co jest w stanie grawitacyjnie przyciągnąć, a tego jest ograniczona ilość.

Ale jego masa i tak może być ogromna. Dookoła osobliwości wytwarzany jest pewien obszar przestrzeni, w którym grawitacja jest tak silna, że przechwytuje nawet światło i kieruje je w stronę osobliwości.

Granicę tego obszaru nazywamy horyzontem zdarzeń.

Wszystko co wpadnie miedzy horyzont zdarzeń a osobliwość, zostaje wciągnięte do środka. Światło też, jeśli nieszczęśliwe tam zawędruje, zostaje wessane by uczestniczyć w bezustannym opadaniu.

Obszar przestrzeni, ograniczony horyzontem zdarzeń, zawierający w sobie osobliwość nazywamy czarną dziurą.

Czarna dziura

Schematyczny rysunek czarnej dziury

No dobra, ale jak możliwe jest powstanie osobliwości w rzeczywistości?

Czy grawitacja może być tak potężna, że nakryje czapką wszystkie pozostałe siły, sprzeciwiające się jej? Co na to Pauli? Co na to prawa fizyki? A co z zdrowym rozsądkiem?

Przez cały czas w artykule opisywałem zjawiska powstrzymujące grawitację przed zgniataniem ciał. Czy w warunkach naprawdę potężnej grawitacji, siły elektromagnetyczne, albo zakaz Pauliego, po prostu znikają? Czy jeśli prędkość ucieczki z jakiegoś obszaru przekroczy prędkość światła, to czy prawa fizyki już nie obowiązują?

Hmm…

Nie wiem.

Tak naprawdę to nikt nie wie.

W środku czarnej dziury pojawia się nieskończoność, a nawet jeszcze gorzej - nieoznaczoność.

Jeśli gdzieś pojawia się jakiś obiekt zapadający się w nieskończoność, oznacza to zwykle, że prawa fizyki, jakie znamy, poniosły porażkę.

Po prostu nie ogarniają takiego przypadku.

Obecnie mamy dwie główne teorie fizyczne opisujące świat. Jest to model standardowy (rozwinięta wersja mechaniki kwantowej) oraz ogólną teorię względności.

Model standardowy opisuje zwykle rzeczy małe, zachodzące we wnętrzu atomów. Zawiera w sobie opis 3 podstawowych sił: odziaływania elektromagnetycznego, słabego oraz odziaływania silnego (jądrowego).

Z kolei, ogólna teoria względności skupia się na grawitacji, a tym samym na opisie ruchu rzeczy wielkich: planet, gwiazd.

Problem jest w tym, że te dwie wielkie teorie nie są ze sobą kompatybilne. Nie udało się ich połączyć w jedną spójną teorię kwantową-grawitacji.

A właśnie taka teoria jest potrzebna do zrozumienia zjawiska osobliwości.

Osobliwość jest malutka (czyli model standardowy), ale pierwsze skrzypce odgrywa tam grawitacja (czyli ogólna teoria względności).

Nie ma obecnie spójnej teorii, która pozwoliłaby na opis wszystkich podstawowych odziaływań naraz.

Tym samym, to co naprawdę dzieje się w samym środku czarnej dziury pozostaje tajemnicą. Możemy tylko podejrzewać.

Te wszystkie powyższe rozważania, które napisałem o osobliwości są tylko pewnym przybliżeniem, tego co by się stało gdyby ogólną teorię względności zastosować do tak małych obiektów.

Na dzisiejszy stan wiedzy, takie wyjaśnienie zjawiska osobliwości jest najlepsze. W środku czarnej dziury dzieje się coś dziwnego. Fizycy bardzo by chcieli tą nieskończenie zapadającą się „rzecz” jakoś wyeliminować. Ale nikt nie ma pomysłu, jak to zrobić.

Równie dobrze mógłbym napisać przy akapicie o osobliwości: „tam żyją smoki”.

Jest to obszar w którym obecne prawa fizyki tracą zastosowanie. Potrzebna jest tu nowa teoria, łącząca mechanikę kwantową i ogólną teorię względności – kwantowa teoria grawitacji.

Święty Graal wszystkich fizyków, poszukiwany od dłuższego czasu i jak dotąd bezskutecznie.

Może kiedyś uda się wyeliminować nieskończoności z wnętrza czarnej dziury. Może jeszcze za naszego życia.

Może poznamy dokładnie czarne dziury.

Może kiedyś…

Ilustracja tytułowa, galaktyka NGC 4639 zwierająca w centrum czarną dziurę (na zdjęciu niewidoczna). ESA/Hubble & NASA

Film przedstawiający aktywność Słońca. NASA/SDO and the AIA, EVE, and HMI science teams.

Pluton, zdjęcie wykonane przez sondę New Horizon. NASA/JHUAPL/SwRI