Czarne dziury z horyzontami zdarzeń zatrzymującymi wszystko, co do nich dociera, oraz dyski akrecyjne świecące od nagromadzonej materii stanowią fascynujące studium fizyki ekstremalnej. Gdy materia spiralnie wkręca się w a czarna dziurarozjaśnia się i wypacza pod wpływem intensywnej grawitacji, tworząc uderzające zjawiska wizualne, takie jak cień horyzontu zdarzeń i foton kula. Dodatkowo ekstremalne środowiska w pobliżu czarnych dziur wytwarzają potężne dżety i tajemniczą koronę, które są kluczem do zrozumienia wysokoenergetycznych procesów kosmicznych.
Horyzont Zdarzeń
Horyzont zdarzeń sprawia, że czarna dziura jest czarna. Często opisuje się ją jako „powierzchnię” czarnej dziury, chociaż nie jest to powierzchnia w tradycyjnym znaczeniu. Jest to krytyczna granica wokół czarnej dziury, w której wymagana prędkość ucieczki przekracza prędkość światła, uniemożliwiając ucieczkę. Zatem każdy obiekt, łącznie ze światłem, przekraczający ten próg, zostaje uwięziony na czas nieokreślony. Czarne dziury są niewidoczne w kosmosie, ponieważ nie emitują światła; można je jednak wykryć pośrednio. Astronomowie są w stanie obserwować czarne dziury, badając światło pobliskiej materii, która nie przekroczyła jeszcze horyzontu zdarzeń.
Dysk Akrecyjny
Głównym źródłem światła czarnej dziury jest struktura zwana dyskiem akrecyjnym. Czarne dziury rosną poprzez pochłanianie materii – proces, który naukowcy nazywają akrecją – oraz poprzez łączenie się z innymi czarnymi dziurami. Czarna dziura o masie gwiazdowej w połączeniu z gwiazdą może wyciągać z niej gaz, a supermasywna czarna dziura robi to samo z gwiazd, które za bardzo się od siebie oddalają. Gaz osiada w gorącym, jasnym, szybko wirującym dysku. Materia stopniowo przedostaje się z zewnętrznej części dysku do jego wewnętrznej krawędzi, gdzie wpada do horyzontu zdarzeń. Odosobnione czarne dziury, które pochłonęły otaczającą je materię, nie posiadają dysku akrecyjnego i mogą być bardzo trudne do znalezienia i zbadania.
Gdybyśmy mogli zobaczyć go z bliska, odkrylibyśmy, że dysk akrecyjny ma zabawny kształt, patrząc pod większością kątów. Dzieje się tak dlatego, że pole grawitacyjne czarnej dziury zakrzywia czasoprzestrzeń, strukturę wszechświata, a światło musi podążać tą zniekształconą ścieżką. Astronomowie nazywają ten proces soczewkowaniem grawitacyjnym. Światło docierające do nas ze szczytu dysku za czarną dziurą wydaje się formować nad nim w garb. Światło spod odległej strony dysku podąża inną ścieżką, tworząc poniżej kolejny garb. Rozmiary i kształty garbów zmieniają się, gdy patrzymy na nie pod różnymi kątami, natomiast gdy patrzymy na dysk dokładnie przodem, nie widzimy żadnych garbów.
Cień horyzontu zdarzeń
Horyzont zdarzeń wychwytuje każde światło przechodzące przez niego, a zniekształcona czasoprzestrzeń wokół niego powoduje, że światło jest przekierowywane poprzez soczewkowanie grawitacyjne. Te dwa efekty tworzą ciemną strefę, którą astronomowie nazywają cieniem horyzontu zdarzeń, która jest mniej więcej dwa razy większa niż rzeczywista powierzchnia czarnej dziury.
Sfera Fotonowa
Pod każdym kątem obserwacji na krawędzi cienia czarnej dziury pojawiają się cienkie pierścienie światła. Pierścienie te są w rzeczywistości wielokrotnymi, silnie zniekształconymi obrazami dysku akrecyjnego. Tutaj światło z dysku faktycznie wielokrotnie okrąża czarną dziurę, zanim do nas dotrze. Pierścienie bliżej czarnej dziury stają się cieńsze i słabsze.
Promienie Dopplera
Oglądana pod większością kątów jedna strona dysku akrecyjnego wydaje się jaśniejsza od drugiej. W pobliżu czarnej dziury dysk wiruje tak szybko, że widoczny staje się efekt teorii względności Einsteina. Światło płynące z części dysku wirującej w naszą stronę staje się jaśniejsze i bardziej niebieskie, natomiast światło z strony dysku obracającej się od nas staje się słabsze i bardziej czerwone. Jest to optyczny odpowiednik codziennego zjawiska akustycznego, w którym wysokość i głośność dźwięku – takiego jak syrena – rosną i spadają w miarę zbliżania się i mijania źródła. Dżety cząstek czarnej dziury uwypuklają ten efekt jeszcze bardziej dramatycznie.
Korona
Nazywa się to jednym z najbardziej ekstremalnych środowisk fizycznych we wszechświecie. Wychodzą z niego silne pola magnetyczne przenikające wewnętrzny dysk akrecyjny, tworząc cienką, turbulentną chmurę o temperaturze miliarda stopni. Cząsteczki w koronie krążą wokół czarnej dziury z prędkościami bliskimi prędkości światła. Jest źródłem promieni rentgenowskich o znacznie wyższych energiach niż te emanujące z dysku akrecyjnego, ale astronomowie wciąż próbują określić jego zasięg, kształt i inne cechy.
Dżety cząstek
W czarnych dziurach każdej wielkości coś dziwnego może wydarzyć się w pobliżu wewnętrznej krawędzi dysku akrecyjnego. Niewielka ilość materii zmierzająca w stronę czarnej dziury może nagle zostać przekierowana do pary dżetów, które wystrzelą z niej w przeciwnych kierunkach. Dżety te wystrzeliwują cząstki z prędkością bliską prędkości światła, ale astronomowie nie do końca rozumieją, jak one działają. Dżety z supermasywnych czarnych dziur – typu spotykanego w centrach większości dużych galaktyk – mogą osiągać długości setek tysięcy lat świetlnych. W przypadkach, gdy strumienie ustawią się pod kątem w naszym polu widzenia, możemy łatwo wykryć ten strzelający w naszą stronę jedynie dzięki promieniowi Dopplera. Proces ten sprawia, że bliższy strumień jest znacznie jaśniejszy, ale znacznie przyciemnia strumień tylny.
Osobliwość
Ogólna teoria względności przewiduje, że w samym środku czarnej dziury znajduje się punkt, w którym materia zostaje zmiażdżona do nieskończonej gęstości. To ostateczny cel wszystkiego, co wpada w horyzont zdarzeń. Osobliwość może mieć strukturę fizyczną lub czysto matematyczną, ale w tej chwili astronomowie nie wiedzą, która z nich jest prawdziwa. Przewidywanie osobliwości może sygnalizować granice teorii względności, gdzie efekty kwantowe nieuwzględnione w teorii stają się istotne w pełniejszym opisie grawitacji.
