Czarna dziura

Czarna dziura – obszar czasoprzestrzeni, którego z uwagi na wpływ grawitacji, nic – łącznie ze światłem i informacją – nie może opuścić. Zgodnie z ogólną teorią względności, do jej powstania niezbędne jest nagromadzenie dostatecznie dużej masy w odpowiednio małej objętości. Czarną dziurę otacza matematycznie zdefiniowana powierzchnia nazywana horyzontem zdarzeń, która wyznacza granicę bez powrotu. Nazywa się ją „czarną”, ponieważ pochłania całkowicie światło trafiające w horyzont, nie odbijając niczego, zupełnie jak ciało doskonale czarne w termodynamice. Kwantowa teoria pola przewiduje, że czarne dziury emitują promieniowanie jak ciało doskonale czarne o niezerowej temperaturze. Temperatura ta jest odwrotnie proporcjonalna do masy czarnej dziury, co sprawia, że bardzo trudno je zaobserwować w wypadku czarnych dziur o masie gwiazdowej bądź większych.
Istnienie obiektów o polu grawitacyjnym niepozwalającym na ucieczkę światła jako pierwsi rozważali w XVIII wieku John Michell i Pierre Simon de Laplace. Pierwsze rozwiązanie równania Einsteina ogólnej teorii względności opisujące czarną dziurę znalazł w 1916 Karl Schwarzschild, jednak długo uważane było ono za matematyczną ciekawostkę, a jego interpretacja jako regionu czasoprzestrzeni, którego nic nie może opuścić, nie zyskała pełnego uznania przez kolejne cztery dekady. Dopiero w latach 60. XX wieku prace teoretyczne wykazały, że istnienie czarnych dziur jest logiczną konsekwencją obowiązywania ogólnej teorii względności. W tym samym czasie obserwacyjnie potwierdzono także istnienie gwiazd neutronowych, co stanowiło przesłankę, że takie obiekty powstałe w wyniku zapadania grawitacyjnego mogą istnieć w rzeczywistości.
Czarne dziury o masie gwiazdowej formują się w wyniku zapadania grawitacyjnego bardzo masywnych gwiazd pod koniec ich życia. Inną kategorią są supermasywne czarne dziury o masach przekraczających miliony mas Słońca. Podejrzewa się, że takie czarne dziury znajdują się w centrach większości galaktyk, w szczególności istnieją przekonujące dowody na istnienie czarnej dziury o masie około 4 milionów mas Słońca w centrum Drogi Mlecznej. Wyróżnia się też czarne dziury o masie pośredniej między gwiazdowymi i supermasywnymi, a najcięższe czarne dziury nazywane są niekiedy ultramasywnymi.
Jako że czarnych dziur nie można obserwować bezpośrednio, o ich obecności wnioskuje się na podstawie ich oddziaływania z otaczającą materią oraz światłem i innymi rodzajami promieniowania elektromagnetycznego. Przykładowo, opadająca na powierzchnię czarnej dziury materia może uformować dysk akrecyjny, generujący ogromne ilości promieniowania na skutek tarcia, jonizacji i silnego przyspieszenia wchłanianych cząstek. Część zjonizowanej materii dysku pod działaniem jego pola elektromagnetycznego może uciekać w kierunkach osi obrotu, tworząc ogromne dżety. Supermasywne czarne dziury w centrach aktywnych galaktyk, wokół których zachodzi proces akrecji powodują ich bardzo silne świecenie, stąd też obiekty zawierające czarne dziury mogą należeć do najjaśniejszych we Wszechświecie. 10 kwietnia 2019 roku przedstawiono pierwsze w historii zdjęcie ukazujące cień czarnej dziury w centrum galaktyki M87, obraz uzyskano dzięki projektowi EHT.
Licznych kandydatów na czarne dziury o masie gwiazdowej udało się zidentyfikować w systemach podwójnych. W niektórych przypadkach po ustaleniu masy i położenia niewidzialnego towarzysza gwiazdy okazuje się, że jedynym obiektem pasującym do obserwacji może być czarna dziura.
Według obliczeń opublikowanych w 2022 roku w obserwowanym Wszechświecie znajduje się około 40 trylionów (40 000000000 000000000) czarnych dziur pochodzenia gwiazdowego. Wynika z tego, że około 1% zwykłej, czyli barionowej materii znajduje się w gwiazdowych czarnych dziurach.

context: Czarne dziury o masach gwiazdowych najczęściej znajdowane są w układach podwójnych.
Samotna czarna dziura byłaby bardzo trudna do zaobserwowania – jedynym śladem jej istnienia może być soczewkowanie grawitacyjne. W ciasnym układzie podwójnym, takim jak rentgenowskie układy podwójne czarna dziura jest otoczona jednak materią, która na nią spada. Materia ta tworzy dysk akrecyjny, a zbliżając się do czarnej dziury, przyspiesza i poprzez zderzenia rozgrzewa się coraz bardziej, tak, że zamienia znaczny procent swojej masy na energię, która rozchodzi się jako promieniowanie w szerokim zakresie (od promieni gamma i promieni X po fale radiowe) oraz czasami w postaci wysokoenergetycznych cząstek skupionych w tzw. „jety” (dżety). Stąd czarne dziury należą faktycznie do najjaśniejszych obiektów we Wszechświecie. Odróżnienie w tym wypadku gwiazdy neutronowej od czarnej dziury polega przede wszystkim na pomiarze masy – gwiazdy neutronowe nie mogą mieć masy większej niż 2–3 masy Słońca. Liczba czarnych dziur o masach zbliżonych do Słońca w naszej galaktyce to ok. 100 milionów, ale liczba znanych źródeł rentgenowskich zawierających czarne dziury to poniżej 100. Najsłynniejszym przedstawicielem jest Cygnus X-1.
qas: question: Jaki jest jedyny dowód występowania wyizolowanych czarnych dziur?
plausible_answers: text: soczewkowanie grawitacyjne
answer_end: 211
generative_answer: soczewkowanie grawitacyjne

question: Co dzieje się z materią w momencie przemieszczania się w kierunku czarnej dziury?
answers: text: przyspiesza i poprzez zderzenia rozgrzewa się
answer_end: 461
generative_answer: przyspiesza i poprzez zderzenia rozgrzewa się

question: W jaki sposób rozprzestrzenia się energia powstała z masy materii?
answers: text: jako promieniowanie w szerokim zakresie (od promieni gamma i promieni X po fale radiowe) oraz czasami w postaci wysokoenergetycznych cząstek
answer_end: 695
generative_answer: jako promieniowanie w szerokim zakresie oraz czasami w postaci wysokoenergetycznych cząstek

question: W co integrują się cząsteczki powstałe z energii?
answers: text: jety
answer_end: 719
generative_answer: jety

question: Jak nazywają się najjaśniejsze obszary w kosmosie?
plausible_answers: text: czarne dziury
answer_end: 748
generative_answer: czarne dziury