Tradus de Gabriela Cîrstea.
Întâmpinaţi dificultăţi în a explica găurile negre elevilor dvs.?Ce-ar fi să încercaţi aceste activităţi simple la clasă?
unei găuri negre. Gaura
neagră este doar un punct
aflat chiar în centru, dar
gravitaţia sa este atât de
puternică încât lumina
stelelor din jur nu-i poate
scăpa.
Pentru imagine, mulţumim
Agenţiei Spaţiale Europene,
NASA şi lui Felix Mirabel
(Comisia franceză pentru
energie atomică şi Institutul de
astronomie şi fizică spaţială /
Consiliul naţional pentru
cercetare ştiinţifică şi tehnică
din Argentina)
Mulţi tineri au auzit de găurile negre şi înţeleg că un obiect care cade într-o gaură neagră nu mai poate ieşi – nici chiar lumina nu poate scăpa. Astfel se explică denumirea de gaură neagră: aceasta este un punct din spaţiu care nu emite deloc lumină (figura 1). Conceptul acesta nu este uşor de explicat. Prin urmare, în acest articol voi face o scurtă prezentare introductivă a găurilor negre şi apoi voi descrie două activităţi simple pentru a ajuta elevii să vizualizeze fenomenul. Fiecare activitate ar trebui să dureze în jur de o oră; ambele activităţi sunt potrivite pentru elevi cu vârste cuprinse între 10 şi 14 ani (deşi observăm că referentul sugerează realizarea acestor activităţi cu elevi cu vârste cuprinse între 10 şi 19 ani).
stea colapsată sau
singularitate; orizontul de
evenimente, o regiune în
jurul singularităţii din care
nici lumina nu poate scăpa; şi
regiunea din afara
orizontului de evenimente, în
care obiectele pot simţi
gravitaţia găurii negre fără a
deveni captive. Clicaţi pe
imagine pentru a o mări.
Pentru imagine, mulţumim lui
Monica Turner
Găurile negre se formează în timpul morţii stelelor foarte masive (a căror masă este de cel puţin câteva ori mai mare decât cea a Soarelui).
O stea este alcătuită dintr-un nucleu fierbinte înconjurat de mai multe straturi gazoasew1. În nucleul stelei, elementele mai uşoare cum ar fi hidrogenul şi heliul sunt unite prin fuziune termonucleară şi formează elemente mai grele, cum ar fi metalele. Căldura degajată în acest proces exercită o presiune către exterior, contrabalansând forţa gravitaţională ce atrage gazul către centrul stelei şi dându-i acesteia dimensiunile mari. Dar când steaua epuizează combustibilul din nucleu ea nu mai poate susţine greutatea straturilor gazoase externe. Dacă steaua aflată pe moarte este foarte masivă, gravitaţia va atrage gazul, astfel că steaua se va micşora tot mai mult, densitatea sa tinzând către infinit într-un singur punct, numit singularitate(figura 2).
3621 obţinută cu ajutorul
Telescopului Foarte Mare al
Observatorului European de
Sud (ESO). Se crede că în
centrul acestei galaxii se află
o gaură neagră supermasivă
activă care absoarbe materie
şi produce radiaţie.
Pentru imagine, mulţumim ESO
În apropierea singularităţii gravitaţia este atât de puternică încât nimic nu-i poate scăpa. Viteza necesară pentru a scăpa ar trebui să fie mai mare decât viteza luminii, deci nici chiar lumina nu poate scăpa; acesta este motivul pentru care gaura neagră este neagră. (De fapt, o gaură neagră nu este un gol: sunt multe acolo, deşi nu le putem vedea.)
La o anumită distanţă de singularitate, gravitaţia este suficient de slabă pentru ca lumina să scape, astfel încât obiectele aflate dincolo de această distanţă sunt vizibile. Această frontieră se numeşte orizont de evenimente. Obiectele aflate dincolo de orizontul de evenimente se află sub acţiunea gravitaţiei găurii negre şi vor fi atrase către aceasta, dar ele pot fi văzute şi există posibilitatea să evite căderea în gaura neagră. Dar odată ce obiectele sunt atrase în interiorul orizontului de evenimente, nu mai există cale de întoarcere.
După ce gaura neagră se formează, ea poate creşte absorbind masă din vecinătatea sa, de exemplu alte stele şi alte găuri negrew2. Dacă o gaură neagră absoarbe suficient material, ea poate deveni o gaură neagră supermasivă, ceea ce înseamnă că are o masă de peste un milion de mase solare. Se crede că în centrele multor galaxii există găuri negre supermasive, inclusiv în centrul Căii Lactee.
De obicei, astronomii observă obiecte în spaţiu privind lumina; astfel, acesta este modul în care ei studiază stelele (de exemplu, vezi Mignone & Barnes, 2011). Totuşi, deoarece găurile negre nu emit deloc lumină, ele nu pot fi observate în modul obişnuit. În schimb, astronomii trebuie să observe interacţiunea găurii negre cu alte obiecte. Un mod de a face acest lucru este observarea mişcărilor stelelor în jurul găurii negre, orbitele lor fiind modificate de prezenţa acesteiaw3.
Această activitate va demonstra elevilor cum se formează o gaură neagră prin colapsul unei stele masive, în momentul în care steaua nu mai poate susţine greutatea straturilor exterioare de gaz care o înconjoară. Timpul necesar acestei activităţi este de aproximativ o oră.
Fiecare grupă de lucru va avea nevoie de:
activitatea 2
Pentru imagine mulţumim lui
Charlotte Provost şi Monica
Turner
Răspuns: mingea mototolită este mult prea mare pentru a reprezenta o gaură neagră. Chiar şi o gaură neagră reală, formată dintr-o stea masivă, este mai mică decât vârful unui creion.
Construirea stelei cu mai multe straturi de gaz (reprezentate de folie) ar face steaua mai masivă. Ar conduce de asemenea la formarea unei găuri negre mai masive, deoarece ar fi mai mult material cu care să se formeze gaura neagră.
Deşi au dimensiuni diferite, steaua şi gaura neagră au aceeaşi masă, deoarece sunt confecţionate din exact aceeaşi cantitate de material. Cu toate acestea, deoarece gaura neagră este mai mică, ea are o cantitate mai mare de material conţinut într-un volum mai mic, deci are o densitate mai mare.
în centru produce o curbare
a texturii spaţiu-timp.
Pentru imagine mulţumim lui
Charlotte Provost şi Monica
Turner
În această activitate, elevii vor construi un model de gaură neagră care îi va ajuta să vizualizeze modul în care o gaură neagră “curbează” spaţiu-timpul şi afectează obiectele aflate în apropiere. Activitatea ar trebui să dureze în jur de o oră.
Fiecare grupă de lucru va avea nevoie de (figura 3):
bilă pe ţesătură pentru a
observa cum se modifică
traiectoria acesteia.
Pentru imagine mulţumim lui
Charlotte Provost şi Monica
Turner
mici cu diferite mase.
Pentru imagine mulţumim lui
Charlotte Provost şi Monica
Turner
Când viteza bilei este suficient de mare, ea are suficientă energie pentru a evada din câmpul gravitaţional al găurii negre. Cu toate acestea, dacă viteza bilei este prea mică, forţa gravitaţiei exercitată de gaura neagră este prea mare şi bila nu va mai putea scăpa.
Deoarece obiectele mai masive creează o forţă gravitaţională mai puternică, în ambele cazuri va fi nevoie să aruncaţi cu mai mare putere bila mică pentru ca ea să scape gravitaţiei găurii negre.
Dacă o gaură neagră devine suficient de masivă stelele care trec prin apropierea ei vor fi prinse în câmpul său gravitaţional şi vor începe să se mişte pe o orbită în jurul găurii negre, foarte asemănător modului în care planetele din sistemul nostru solar se mişcă în jurul Soarelui. Observând mişcările multor stele, astronomii pot căuta stele care gravitează în jurul aceluiaşi punct central. Dacă nu pot vedea un obiect în acest punct central, aceasta este o dovadă că acolo s-ar putea afla o gaură neagră.
Activitatea 1 a fost adaptată din manualul demonstrativ „Journey to a Black Hole” (Călătorie către o gaură neagră) de pe site-ul web Inside Einstein’s Universew4. Această activitate a fost la rândul ei adaptată din activitatea “Aluminum Foil, Balloons, and Black Holes” (Folii de aluminiu, baloane şi găuri negre) de pe site-ul web al NASA, Imagine the Universew1.
Activitatea 2 este adaptată dintr-o resursă din baza de date UNAWE de Ricardo Moreno din Exploring the Universe, UNAWEw5 Spania.
Clicaţi aici pentru a accesa originalul Activităţii 1.
Székely P, Benedekfi Ö (2007) Fusion in the Universe: when a giant star dies.... Science in School 6: 64-68.
Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusion in the Universe: we are all stardust. Science in School 4: 61-63.
Rebusco P, Boffin H & Pierce-Price D (2007) Fusion in the Universe: where your jewellery comes from. Science in School 5: 52-56.
Rosenberg M (2012) Creating eclipses in the classroom. Science in School 23: 20-24.
Jeanjacquot P, Lilensten J (2013) Pentru o mai bună înţelegere a vântului solar: simularea aurorelor polare în şcoală. Science in School26: 32-37.