Scientia

Găurile negre, obiecte misterioase şi fascinante, sunt din multe puncte de vedere obiecte relativ simple. În Univers există mai multe feluri de găuri negre - de la cele rezultate în urma morţii stelelor, la cele super-masive aflate în centrul galaxiilor.

Gaura neagră - sens unic prin spaţiu

Ar putea exista chiar un număr mare de micro-găuri negre care au fost create la puţin timp după Big Bang. Ba chiar am putea, cu puţin noroc, produce şi noi micro-găuri negre la acceleratorul LHC de la Geneva.

Vom ilustra pe scurt în acest articol câteva aspecte legate de tipologia găurilor negre şi de modalităţile de formare a acestora, fără pretenţia de a face o prezentare  riguroasă sau completă.

Găurile negre "înghit" informaţie?

Cum am văzut în articolul precedent, o gaură neagră este un obiect în care gravitaţia este atât de intensă încât nici chiar lumina nu poate să scape atracţiei gravitaţionale, obiectul devenind...negru .

Găurile negre (no-hair theorem – pentru cine vrea să afle mai multe) sunt caracterizate de un număr mic de parametri: masa, sarcina electrică şi momentul cinetic datorat rotaţiei pe care o gaură neagră o poate avea. Rezultă că două găuri negre care au aceeaşi masă, aceeaşi sarcină electrică, care de obicei este zero, şi aceeaşi rotaţie, sunt practic identice, indiferent de modul în care s-au format (care poate fi foarte diferit). De aici au luat naştere o serie de discuţii, de multe ori foarte aprinse, care sunt încă în plină desfăşurare. Printre întrebări se găseşte şi următoarea: se pierde, de exemplu, informaţia obiectelor care au format sau care alimentează o gaură neagră? Vom reveni asupra acestui subiect într-un articol viitor.

Gaura neagra supermasiva
Reprezentare artistică a unei găuri negre super-masive din centrul unei galaxii.
Credit: NASA/JPL-Caltech

Găurile negre, de la mic la mare

În cele ce urmează prezentăm diversele tipuri de găuri negre şi modul în care acestea se pot forma. Găurile negre sunt, de obicei, clasificate în funcţie de masa pe care o au, independent de eventuala rotaţie (moment cinetic). Dimensiunile găurilor negre, legate de raza orizontului evenimentelor, sunt date de raza Schwarzschild, care depinde de masa găurii negre printr-o relaţie de directă proporţionalitate: cu cât gaura neagră este mai mare, cu atât raza sa (deci raza orizontului evenimentelor) este mai mare: Rs=2Gm/c², unde Rs este raza Schwarzschild, G, constanta gravitaţională, m masa obiectului, iar c viteza luminii în vid. De la mic la mare în funcţie de masa lor, găurile negre sunt de următoarele tipuri:

Găuri negre microscopice (micro-găuri negre): au o masă mult mai mică decât o stea. De exemplu, o astfel de gaură neagră, cu masa egală cu cea a Lunii ar avea o rază în jur de 0.1 mm! (cam cât un fir de păr!). Acest gen de găuri negre nu se pot forma în urma exploziei stelelor aflate în faza finală a evoluţiei lor. Se bănuieşte că ar putea exista în prezent astfel de găuri negre cu masă foarte mică  şi care au fost create în primele clipe după Big Bang, când densitatea materiei era extrem de mare. Găuri negre microscopice ar putea lua naştere şi în urma coliziunilor dintre protoni efectuate la Large Hadron Collider de la CERN.

Găuri negre cu masă stelară: sunt găuri negre cu masa între aproximativ 3 şi 15-20 mase solare. Aceste găuri negre au o rază de câţiva kilometri; de exemplu pentru o gaură neagră cu masa egală cu circa 10 mase solare raza este în jur de 30 km. Iau naştere în urma exploziei stelelor (supernova) sau, de exemplu, prin procesul de unire  a două stele neutronice.

Găuri negre cu masă intermediară: sunt găuri negre ce au masa de câteva mii de ori masa Soarelui. O astfel de gaură neagră ar avea o rază cam cât a Pământului. Nu există un mecanism care să genereze în mod direct astfel de găuri negre, totuşi ele se pot  forma prin unirea  mai multor găuri negre cu mase mai mici. Un proces de unire a găurilor negre reprezintă o sursă foarte intensă de unde gravitaţionale pe care, într-un viitor nu prea îndepărtat, le-am putea detecta. La ora actuală nu există o observaţie directă a undelor gravitaţionale; au fost însă construite şi au intrat recent în funcţiune detectoare interferometrice de unde gravitaţionale, precum VIRGO,  în Italia, şi LIGO, în  Statele Unite. Pentru viitor există proiecte de construire în spaţiu a unui sistem extrem de performant: LISA.

Găuri negre super-masive: pot avea mase de sute de mii sau chiar miliarde de ori mai mari decât masa Soarelui. O astfel de gaură neagră super-masivă cu masa de un miliard de ori mai mare decât cea a Soarelui are raza de circa 10 unităţi astronomice (o unitate astronomică este distanţa medie dintre Soare şi Pământ). A fost observată, evident indirect, existenţa unor astfel de găuri negre în centrul multor galaxii – inclusiv în galaxia noastră. Astfel de găuri negre se pot forma atât prin unirea mai multor găuri negre cu masa mai mică, cât şi prin căderea altor corpuri (stele sau gaz interstelar) în interiorul unei găuri negre mai pitice.

Un comentariu legat de densitatea găurilor negre (masa împărţită la volum):
Cum raza este proporţională cu masa, volumul este proporţional cu masa la puterea a treia. Deci densitatea depinde invers proporţional  de puterea a doua a masei. Cu cât o gaură neagră este mai mare cu atât densitatea ei scade. Găurile negre mici au densităţi foarte mari, însă găurile negre super-masive pot avea densităţi nu mai mari ca cea a ....apei!

Gaura neagra. Reprezentare artistica
Dimensiunile găurilor negre variază enorm. La fel şi densităţile acestor obiecte cosmice.
În imaginea de mai sus puteţi vedea o reprezentare artistică a unei găuri negre care absoarbe materie dinspre o stea vecină.
Credit: NASA E/PO, Sonoma State University, Aurore Simonnet

Găurile negre de la ... Geneva

Cum am văzut, pot exista găuri negre microscopice cu masa extrem de mică, aşa-numitele micro-găuri negre. Astfel de găuri negre au stârnit în 2008 panică în rândul populaţiei în urma anunţurilor alarmiste legate de intrarea în funcţiune a acceleratorului Large Hadron Collider de la Geneva care, se spunea, ar fi putut produce astfel de găuri negre care ar fi înghiţit întreaga lume. Producerea micro-găurilor negre la LHC este extrem de improbabilă, totuşi, în cadrul anumitor teorii, de exemplu cele în care există extra-dimensiuni, probabilitatea ca acestea să se formeze este puţin mai mare. Pentru fizicieni, producerea acestor micro-găuri negre la LHC nu este un eveniment înspăimântător şi de evitat, ba dimpotrivă – ar fi fericiţi să le descopere! Ar însemna descoperirea indirectă a extra-dimensiunilor şi ne-ar ajuta în înţelegerea mai profundă a Universului şi a legilor acestuia. Cum am putea însă măsura micro-găurile negre la LHC? Prin detectarea particulelor generate în urma evaporării aproape instantanee ale acestor găuri negre microscopice.

Cum şi de ce se evaporă o gaură neagră, în cât timp şi de ce nu ne temem de micro-găurile negre de la LHC, vom vedea într-un articol viitor.

Cum se evaporă găurile negre prin intermediul radiaţiei Hawking?

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi colaborator al Scientia.ro. Autoarea mulţumeşte pentru colaborare dnei Diana Sirghi.