First envisioned in 1783, black holes epitomize mystery and danger like no other object ever known. The singularities at their cores are utterly inexpiable by science — prowlers in the inaccessible alleyways beyond our comprehension.
We can ease our way into this shaky realm by exploring the surest black hole in the heavens. In the lovely constellation Cygnus, the star Eta (η) Cygni dimly marks the Swan’s neck. A Moon-width to Eta’s northeast sits a blue star just bright enough to appear in binoculars. Going by the catchy name HDE 226868, it weighs somewhere between 10 and 20 Suns.
Something fishy is going on here. First off, this bloated blue star whirls in a circle every 5.6 days, as if caught in the gravitational grasp of an immense object. Spectroscopic orbital analysis proves its companion must weigh 8.7 solar masses and lie about 20 million miles (30 million kilometers) away from it — fairly close. Yet the celestial sumo wrestler twirling HDE 226868 around like a puppet remains strangely invisible. Massive stars are always extremely bright; this star-hurler should be brilliant. Instead, our most powerful telescopes reveal no trace of anything there. Thus, we have exhibit A: a heavy, under-luminous object. Next, this spot of sky emits an intense beam of X-rays, a powerful type of energy that’s always a sign of violence. Physics tells us that anything spiraling toward a black hole should be whipped to speeds frenzied enough to cause X-rays. Sure enough, this is the most brilliant, high-energy X-ray source in the sky, forming exhibit B. In fact, this clue is so important that this entity is universally known by its name in X-ray catalogs: Cygnus X-1.
Finally, tremendous changes in the X-ray intensity occur in a millisecond, a thousandth of a second — faster than an eye blink. Such near-instantaneous variations prove Cygnus X-1 is no larger than 1/20 the size of the Moon, exhibit C. Put all the evidence together, and you’ve got a nearly ironclad case for a black hole.
The dimension into which black holes take us is as bewildering as downtown Guatemala City. Yet many of their features are simple. They can have no magnetic field, for example, nor a reachable surface. We use these facts to eliminate other tempting candidates like neutron stars (which must always weigh less than three Suns, in any case). If infalling material headed toward a neutron star, it would release energy upon impact. But a black hole’s infalling atoms only create X-rays while in orbit; they never terminate with any sort of decisive bang.
Black holes, undeniably, have had bad press. People distrust them, suspecting they’ll gobble up the universe if given the chance. But while the phrase “black hole” suggests a poorly lit piece of emptiness, they’re not holes at all. They’re places where matter is intensely present and crushed. Any object could become a black hole if squeezed enough for gravity to grow so strong that a speed greater than light’s is needed to escape. Mount Everest would become a black hole, for instance, if all of its material were crammed into the size of an atomic nucleus.
Yet black holes are scarce because matter normally does not voluntarily pack itself so firmly. The simplest mechanism involves obese stars — those more than 3½ times heavier than the Sun — going through a late-life crisis. When their nuclear furnaces no longer emit enough outward-pushing energy, such stars cannot resist the gravitational urge to collapse. The smaller they get, the smaller they want to be, until their gravitational escape velocity reaches 186,282 miles (299,792km) per second. Light itself, then, cannot leave, and the stars effectively disappear.
In a way, nothing really changes at that instant. Such a star continues shrinking, unaware that the outside world now calls it a black hole. Cygnus X-1’s singularity — the collapsed star at its center — achieved black hole density when it became 3.7 miles (6.0km) wide. Yet the star shriveled still further, to the size of a beach ball, and then an apple seed. It continued to collapse until it occupied zero volume and achieved infinite density. Well, maybe. Our laws of science cannot deal with this, and some theorists think an unknown process halts the collapse. No one knows.
If the star rotates, certain angles of approach permit hypothetical paths into other places or times. Enter exactly the right way, and you’re suddenly at the senior prom on the planet Maltese.
Surrounding the singularity is the “event horizon,” an invisible no-trespassing zone, which in Cygnus X-1’s case is 16 miles (26km) away. Step across it, and you’re doomed. When we detect this black hole’s X-rays, we hear the final frantic yelps coming to us from the visible star’s stellar wind particles caught spiraling in the accretion disk — on their way to the unknown.
Deduse teoretic prima dată în 1783, „găurile negre” întruchipează misterul și pericolul mai ceva decât orice alt obiect cunoscut omului vreodată. Singularitățile din miezul lor rămân încă complet inexpugnabile științei contemporane.
Dar ne-am putea ușura explorarea acestui tărâm cutremurător, vizitând cea mai sigură „gaură neagră” din ceruri. În frumoasa constelație Cygnus, steaua Eta (η) Cygni marchează gâtul gâtului lebădei. Cam la un diametru de Lună, la nord-estul ei, se află o stea albastră suficient de strălucitoare pentru a fi văzută cu un binoclu. Având denumirea captivantă de HDE 226868, ea este cam de zece până la de douăzeci de ori mai masivă decât soarele nostru.
Ceva dubios se întâmplă aici.
În primul rând, această steluță albastră supraponderală se învârte în cerc la fiecare 5,6 zile, ca și cum ar fi prinsă în atracția gravitațională a unui obiect imens. Analiza orbitală spectroscopică dovedește că însoțitorul său ar trebui să cântărească 8,7 mase solare și să se afle la aproximativ 20 de milioane de mile (30 de milioane de kilometri) distanță de ea – destul de aproape. Cu toate acestea, acest luptător de sumo celest care o învârte pe HDE 226868 precum o marionetă rămâne ciudat de invizibil. Stelele masive sunt întotdeauna extrem de strălucitoare în schimb cele mai puternice telescoape ale noastre nu dezvăluie nimic acolo.
Astfel, avem proba A: un obiect greu, sub-luminos.
În continuare, acest loc de cer emite un fascicul intens de raze X, un tip puternic de energie care, în astronomie, este întotdeauna un indiciu al violenței. Fizica ne spune că orice lucru cade în spirală către o gaură neagră ar trebui să capete viteze suficient de mari pentru a provoca raze X. Destul de sigur, aceasta este cea mai strălucitoare sursă de raze X de mare energie din cer. De fapt, acest indiciu este atât de important încât această entitate este cunoscută în mod universal prin numele său în cataloagele cu raze X: Cygnus X-1.
Avem, astfel, proba B: fascicul intens de raxe X.
În cele din urmă, schimbări extraordinare în intensitatea razelor X care se produc într-o milisecundă – mai repede decât o clipă. Astfel de variații, aproape instantanee, dovedesc că Cygnus X-1 nu este mai mare decât 1/20 din dimensiunea Lunii, și avem proba C.
Puneți toate probele laolaltă și aveți definiția perfectă a unei „găuri neagre”.
Caracteristicile lor sunt simple. Nu pot avea câmp magnetic și nici o suprafață accesibilă. Folosim aceste fapte pentru a elimina alți candidați ispititori precum stelele cu neutroni (care trebuie să cântărească întotdeauna cel puțin de trei ori masa solară). Dacă materialul ar cădea către o stea cu neutroni, acesta va elibera energie în urma impactului care nu a putut fi evidențiată. Dar atomii care intră într-o „gaură neagră” generează raze X .
„Găurile negre”, fără îndoială, au avut parte de o reclamă proastă. Oamenii stau cu spaima că vor juca universul la ruletă dacă li se va da șansa. În timp ce sintagma „gaură neagră” sugerează o chestie slab iluminată, acestea nu sunt deloc găuri. Sunt locuri în care materia este acreționată și-apoi strivită. Orice obiect ar putea deveni o „gaură neagră”, dacă este suficient de comprimat pentru ca gravitația să crească atât de puternic încât ar putea evada doar având o viteză mai mare decât cea a luminii. Muntele Everest ar putea deveni o „gaură neagră” dacă ar fi înghesuit până la dimensiunea unui nucleu atomic.
Cu toate acestea, ”găurile negre” sunt rare, deoarece în mod normal materia nu se autoîmpachetează în mod voluntar în halul ăsta. Cel mai simplu mecanism de producere a unei „găuri negre” implică stele obeze – cele de cel puțin trei ori mai grele decât Soarele – care trec prin criza vârstei a treia. Atunci când cuptoarele lor nucleare nu mai emit suficientă energie care să împingă materia spre exterior, astfel de stele nu mai pot rezista dorinței gravitaționale de a se prăbuși în sine însele. Cu cât sunt mai mici, cu atât vor să fie mai mici, până când viteza lor de evacuare gravitațională atinge 189.282 mile (299.792km) pe secundă. Lumina însăși nu mai poate evada, iar stelele dispar efectiv.
Într-un fel, nimic nu se schimbă cu adevărat în acel moment. O astfel de stea continuă să se micșoreze, fără să știe că lumea exterioară o numește acum o „gaură neagră”. Singularitatea lui Cygnus X-1 – stea prăbușită în centrul său – a atins densitatea „găurii negre” atunci când a devenit de 6,0 km (3,7 mile) diametru. Cu toate acestea, steaua s-a micșorat în continuare, la dimensiunea unei mingi de plajă, și apoi a unei semințe de măr. A continuat să se prăbușească până a ocupat volumul zero și a obținut o densitate infinită. Poate. Legitățile științei actuale nu pot lucra cu asemenea concepte, iar unii teoreticieni consideră că un proces necunoscut oprește prăbușirea. Nimeni nu știe exact.
Dacă steaua se rotește, anumite unghiuri de apropiere permit cărări ipotetice spre alte locuri sau timpuri. Intră exact pe calea cea bună și te vei afla, dintr-o dată, la nașterea universului, celebrul Big Bang.
Diametrul singularității este „orizontul evenimentului”, o zonă invizibilă de netrecut, care în cazul lui Cygnus X-1 se află la 26 km (26 km). Treci peste ea și ești condamnat. Când detectăm razele X ale acestei „găuri negre”, auzim de fapt ultimele țipete frenetice, care vin la noi prin particulele de vânt stelar, ale stelei încă vizibilă, dar prinsă deja în hora morții, în drumul ei spre necunoscut.
***
Mihail stories 
Cel mai mult îmi plac articolele științifice care reușesc să ajungă inteligibile la mintea profanilor (ca mine). Adică în sfârșit am înțeles ce ar trebui să facă Muntele Everest ca să devină o gaură neagră, de exemplu 🙂 ! Ceea ce mi se pare fantastic. Dar când te face să empatizezi cu Universul, e deja genial!
Citez: ”The simplest mechanism involves obese stars (…) — going through a late-life crisis. (…) Such a star continues shrinking, unaware that the outside world now calls it a black hole.” Genial!
ApreciazăApreciat de 1 persoană
Mda… a fost și mai poetic, așa… 😉
ApreciazăApreciat de 1 persoană