Prosto z nieba
Czarna dziura rozmiaru M
Czarne dziury są, być może, najdziwniejszymi obiektami badań współczesnej astrofizyki. W geometrycznym opisie grawitacji Alberta Einsteina każda masa zakrzywia (ugina) czasoprzestrzeń tym mocniej, im jest większa i bardziej "skoncentrowana" w jednym miejscu. Zwarte obiekty, to znaczy takie, dla których stosunek masa-promień jest duży, są źródłami lokalnie większego zakrzywienia...
Zwartość, definiowana jako jest maksymalna dla czarnej dziury, dla której wynosi 1 niezależnie od jej rozmiaru. Zależność ta definiuje także promień horyzontu (promień Schwarzschilda) - każdy bardziej zwarty obiekt o tej samej masie znajduje się już wewnątrz horyzontu czarnej dziury, czyli jest z definicji nieobserwowalny. Czarna dziura jest zatem "niematerialna" dla obserwatora na zewnątrz horyzontu: jest niezależna od własności materii znajdującej się wewnątrz horyzontu. Do jej opisu wystarczy jedynie znać parametry geometryczne, z których dedukuje się odpowiadającą jej masę Promień horyzontu czarnej dziury o masie Słońca wynosi jedynie 2,95 km.
Najbliższe czarnym dziurom relatywistyczne kuzynki - gwiazdy neutronowe - mają, w zależności od przyjętego promienia wynoszącego około 10-15 km, około 0,3-0,5. Dla porównania, Słońca to a Ziemi Mimo że wartości te są małe, efekty wykrzywionej czasoprzestrzeni obserwuje się jako ugięcia torów światła odległych gwiazd przechodzących w pobliżu Słońca bądź jako konieczność wprowadzania poprawek do newtonowskich rozwiązań orbit satelitów wykorzystywanych w GPS.
Znane astronomom czarne dziury można podzielić na dwie kategorie: obiekty "gwiazdowe" o masach kilku-kilkunastu wykrywane podczas obserwacji promieniowania rentgenowskiego w naszej Galaktyce, oraz supermasywne czarne dziury znajdujące się w centrach galaktyk, ważące miliony lub nawet miliardy ( "nasza" supermasywna czarna dziura waży "zaledwie" zmieściłaby się zatem z powodzeniem wewnątrz orbity Merkurego). Ponadto przewiduje się istnienie dziur o masach pośrednich (intermediate-mass black hole, IMBH) od 100 do jednak do tej pory nie przedstawiono niezbitych dowodów obserwacyjnych potwierdzających tę hipotezę.
Ciemne ciała, takie jak czarne dziury, wykrywa się poprzez ich oddziaływanie z okoliczną materią np. w czasie akrecji gazu w układzie podwójnym, lub obserwując ruch gwiazd w ich otoczeniu. Niedawne badania gromady kulistej 47 Tucanæ dostarczają pośrednich dowodów na istnienie czarnej dziury o masie około 47 Tucanæ jest gromadą gwiazd położoną w odległości 13000 lat świetlnych od Ziemi; jest prawie tak stara jak Wszechświat (12 miliardów lat) i składa się z tysięcy gwiazd stłoczonych w kuli o promieniu 120 lat świetlnych. Oprócz gwiazd zawiera także ponad dwadzieścia pulsarów radiowych.
Poszukiwania czarnych dziur w gromadzie 47 Tucanæ w sposób opisany powyżej zakończyły się niepowodzeniem - gromada składa się ze starych gwiazd i nie zawiera wiele swobodnego gazu, który mógłby rozgrzewać się i świecić w pobliżu czarnej dziury, centrum gromady jest natomiast zbyt gęsto wypełnione gwiazdami, by można było wykryć podejrzany ruch którejś z nich. Przejawy istnienia średniomasywnej czarnej dziury znaleziono podczas analizy ruchu gwiazd całej gromady, porównując go z symulacjami numerycznymi: masywniejsze gwiazdy znajdują się przeważnie bliżej centrum gromady, mają więc więcej szans na oddziaływanie z czarną dziurą. Bliskie spotkanie tego typu może czasami skutkować efektem "grawitacyjnej procy", to znaczy wyrzuceniem niektórych gwiazd na znaczne odległości z nieprzeciętnie dużymi prędkościami, co widać w rozkładzie prędkości składników gromady. W podobny sposób zachowują się też wspomniane wcześniej radiopulsary. Odległość od centrum gromady niektórych z nich jest większa niż w modelach, w których nie uwzględniono czarnej dziury.
Dlaczego czarne dziury o masach pośrednich są ciekawe? Najprawdopodobniej są przysłowiowym "brakującym ogniwem" w ewolucji od pierwotnych czarnodziurowych zarodzi o masie zbliżonej do gwiazdowej, które powstały we wczesnym Wszechświecie, do czarnych dziur wagi ciężkiej spoczywających obecnie w centrach galaktyk.