O gaură neagră este un obiect astronomic înconjurat de o suprafaţă limită în care câmpul gravitaţional este atât de puternic încât nimic nu poate scăpa după ce a trecut de această suprafaţă orizontul evenimentului. Radiaţia electromagnetică (lumina de ex.) nu poate scăpa dintr-o gaură neagră, aşa încât interiorul unei găuri negre nu este vizibil, de aici provenind şi numele. Gaura neagră are în centrul ei o regiune cunoscută şi ca „singularitate". La suprafaţa limită gravitaţia este atât de mare, încât nici o rază de lumină n-are energie suficientă pentru a pătrunde în afară. Deplasarea gravitaţionala spre roşu este la această suprafată limită, infint de mare. Viteza de scăpare gravitaţională este la suprafaţa limită egală cu viteza lumini, aşa încât raza suprafeţei limită este egală cu raza traiectoriei circulare, numită raza Schwarzschild.
Cea mai simplă gaură neagră are masă, dar nu are moment cinetic. Aceste găuri negre sunt adesea denumite găuri neagre Schwarzschild după fizicianul Karl Schwarzschild, care a descoperit soluţia ecuaţiilor de câmp ale lui Einstein din 1915. Acesta a fost prima soluţie exactă în teoria relativităţii generale din domeniul ecuatiilor lui Einstein care a fost descoperită, şi în conformitate cu teorema relativităţii a lui Birkhoff numai soluţia vacuum prezintă o simetrie sferică a spaţiului-timp. Acest lucru înseamnă că nu există nici o diferenţă observabilă între câmpul gravitaţional al unei astfel de gauri neagre şi oricare alt obiect sferic de masa asemănătoare. Noţiunea populară a unei gauri neagri că "atrage tot în ea" din ceea ce există în apropierea sa este, prin urmare corectă doar aproape de limita orizontului găurii neagre; mai departe, câmpul gravitaţional extern este identic cu al oricărui alt corp cu masă asemănătoare.
În general soluţiile găurilor negre au fost descoperite mai târziu, în secolul 20. Soluţia Reissner-Nordström descrie o gaură neagră cu sarcină electrică, în timp ce Kerr metrice randamentele o gaură neagră prin rotaţie. Mai mult în general, cunoscut staţionare soluţie Black Hole, Kerr-Newman metrice, descrie atât de încărcare şi, momentului cinetic.
Formarea
Când o stea de aproximativ 20 de ori mai mare ca soarele îşi epuizează "combustibilul" intră în colaps nemaiputând să susţină toate reacţiile ce au loc în interiorul ei. Ea explodează provocând o explozie de proporţii numită supernovă. Dar miezul stelei rămâne compact iar colapsul continuă. Particulele miezului se zdrobesc una de alta din cauza propriei gravitaţii până când tot ce rămâne este o gaură neagră.O explicaţie schematică a unei găuri negre ar fi următoarea:
Se cunoaşte faptul că masa distorsionează spaţiul. Ce vrea să înseamne asta? Dacă spaţiul ar fi un un plan întins pentru ca Terra să poată exista în el, distorsionează. În locul unde se află Pământul spaţiul nu mai este plan ci se produce o adâncitură. O gaură neagră produce o adâncitură extrem de mare în spaţiu, care este din cauza adâncimii şi dă impresia de gaură.
Un exemplu practic ar fi următorul:
Avem un lac. Ne imaginăm că acesta reprezintă spaţiul. Punem câteva sfere în el care plutesc şi care reprezintă corpurile cereşti. Dacă în lacul respectiv ar apărea un vârtej de apă foarte puternic şi mai ales adânc, toata apa (care reprezinta spaţiul), şi odată cu el şi sferele (corpurile cereşti) ar fi atrase în acel vârtej, puterea cu care apa (spaţiul) se duce în vârtej fiind atât de mare încât sferelor le este imposibil să scape
Componenţa şi efectele
La marginea unei găuri negre este o "graniţă" invizibilă numită orizontul evenimentului. Odată depăşită această graniţă nimic nu poate scăpa din gaura neagră nici măcar lumina, motiv pentru care ceea ce se întâmplă într-o gaură neagră este invizibil de unde provine şi numele. În interiorul unei găuri negre, în ciuda aparenţelor, se presupune că este extrem de luminos, deoarece lumina este şi ea prinsă în gaura neagră. Materia absorbită de gaura neagră este de asemenea acolo, fiind supusă la diverse efecte fizice şi comprimată. În centrul unei gauri negre este unul dintre cele mai misterioase fenomene fizice: singularitatea. Singularitatea este un punct de volum ce tinde spre zero dar care conţine o masă ce tinde spre infinit. În cazul unei găuri negre, singularitatea este masa unei întregi stele de minim 20 de ori mai mare ca Soarele nostru, concentrată într-un punct al spaţiului. Singularitatea are o forţă gravitaţională colosală, ea dând forţa de atracţie a unei găuri negre.
O gaură neagră poate îngloba extrem de multă materie, în ciuda dimensiunilor ei nu tocmai mari, deoarece ea comprimă materia. Materia pe care o gaură neagră nu intra în ea cu o traiectorie dreaptă, ci rotindu-se în formă de spirală, apropiindu-se din ce în ce mai mult de gaură. În timp ce gaura neagră absoarbe multă materie din cauza rotirii acesteia in jurul găurii, gaura neagră numai pare neagră din cauza culorii materiei care, în timp ce se roteste poate depaşi de zeci de ori marimea găurii negre. Dar gaura neagră rămâne în centrul cercului de materie, fiind vizibilă.
O gaură neagră supermasivă este un adevărat "monstru" spaţial. Ea este de milioane de ori mai mare decât o gaură neagră obişnuită şi poate captura de miliarde de ori mai multă materie decât conţine Soarele nostru. Aceşti "monştri" pot absorbi galaxii întregi. Majoritatea galaxiilor de mari proporţii (de ex: Calea Lactee) au în centrul lor o gaura neagră supermasivă.
Undele gravitaţionale
În cazul găurilor negre gigantice din centrul galaxiilor fuziunea acestora va produce un cataclism cosmic. O parte din stelele celor două galaxii vor fi înghiţite de cele două găuri negre, iar altă parte va fi expulzată în spaţiul intergalactic. Teoria prevede că această coliziune va produce unde gravitaţionale pe care astronomii speră să le detecteze. Undele gravitaţionale se deplasează cu viteza luminii şi produc o modificare a spaţiului şi a timpului în zonele pe care le traversează.
Se estimează că dacă două obiecte de pe Pământ ar fi la un metru distanţă unul de celălalt, trecerea undelor gravitaţionale ar modifica această distanţă cu miliardimi de metru! Tehnic, aceste variaţii minuscule pot fi măsurate numai prin metode interferometrice. În prezent există trei proiecte în curs de dezvoltare: Ligo, Virgo şi Lisa(două de pe Pământ şi unul din spaţiu), care au ca scop măsurarea deformărilor spaţio-temporale. Prin eventuala identificare a undelor gravitaţionale, teoria relativităţii generale a lui Einstein va căpăta o nouă confirmare.
Gaura neagra din centrul galaxiei noastre emite flacari
Cel mai detaliat studiu al Sagetatorului A* (SgrA*), enigmatica gaura neagra supermasiva din centrul galaxiei noastre, facut cu ajutorul telescopului spatial Hubble si a observatorului cu raze X SMM-Newton, a aratat ca o serie intreaga de emisii luminoase apar in zona din apropierea gaurii negre, pe o gama larga de lungimi de unda, si ca aceste emisii cresc si scad toate la un loc.
Aceste observatii ii vor ajuta pe astronomi sa inteleaga mai bine dinamica lui Sgr A* si sa gaseasca sursa acestor emisii.
"Am observat ca emisiile mai putin energetice in infrarosu apar simultan cu emisiile mult mai energetice de raze X precum si odata cu emisiile in domeniul submilimetric", a spus Yusef-Zadeh. "De aici putem deduce ca particulele care sunt accelerate catre gaura neagra dau nastere acestor radiatii in domeniul infrarosu, submilimetric si cel al razelor X. In plus, nu tot materialul care se apropie de gaura neagra este absorbit in ea. O parte a materialului poate fi ejectat din vecinatatea orizontului gaurii negre. Observatiile noastre indica faptul ca aceste emisii au suficienta energie pentru a scapa chiar de la o apropiere foarte mica de sfera de influenta a gaurii negre."
"Acest lucru este complet neasteptat", a mai adaugat Yusef-Zadeh. "Celelalte gauri negre din alte galaxii nu manifesta o asemenea activitate. Dupa toate aparentele aceste emisii se datoreaza dinamicii materialului capturat - foarte aproape de orizontul gaurii negre. In plus, emisiile fluctueaza la niveluri scazute asemeni unor palpairi. Radiatia emisa rezulta in urma miscarii cu mare viteza a materialelor catre regiunea cea mai apropiata a gaurii negre. Este modul de viata al lui Sgr A*, acest nivel scazut de activitate permanenta."
