Crna rupa je koncentracija materije u svemiru koja ima tako veliku masu da je njeno gravitacijsko polje dovoljno jako da potpuno zakrivi prostor-vrijeme oko sebe tako da ništa ne može pobjeći, čak ni svijetlost.

Uvod u crne rupe

Još su krajem 18. stoljeća engleski geolog John Michell i francuski astronom Pierre Simone Laplace, neovisno jedan od drugoga, došli na misao o mogućem postojanju "tamnih zvijezda" čija je gravitacija tako jaka da ništa s njih ne može pobjeći. Ako je tijelo dovoljno veliko i gusto ništa s njega ne bi moglo pobjeći. Laplace je došao do toga zaključka razmišljajući o brzini oslobađanja – brzini potrebnoj da neki projektil pobjegne gravitaciji nebeskog tijela.

Brzina oslobađanja ovisi o masi nebeskog tijela (planet, zvijezda, satelit): što je nebesko tijelo masivnije gravitacija je jača i brzina oslobađanja je veća. Za Zemlju ta brzina iznosi 11,2 km/s, dok je za Mjesec svega 2,4 km/s, za bijeg s Jupitera potrebna je brzina od 60 km/s, a sa Sunca 610 km/s ili 0,2 % brzine svijetlosti. Ako je tijelo dovoljno veliko i gusto brzina potrebna za bijeg s njega bila bi veća od 300 000 km/s, odnosno veća od brzine svijetlosti. Obzirom da ništa ne može ići brže od svijetlosti, ništa ne može pobjeći iz gravitacijskog polja tog objekta. Čak će i zraka svijetlosti biti zadržana gravitacijom i neće moći pobjeći.

Gotovo odmah nakon što je Einstein razvio Opću teoriju relativnosti, Karl Schwarzschild je otkrio matematičko rješenje jednadžbi Teorije koje opisuje takav objekt. Tek mnogo kasnije, zahvaljujući radu ljudi kao što su Oppenheimer, Volkoff i Snyder u 1930-tim, počelo se ozbiljno prihvaćati mogućnost da takvi objekti možda doista postoje u svemiru. Ovi su istraživači pokazali da kada zvijezda dovoljne mase ostane bez goriva, nije sposobna oprijeti se vlastitoj gravitacijskoj sili i tada se urušava u crnu rupu.

Termin "crna rupa" prvi je spomenuo američki fizičar Jochn Archibald Weeler 1967. nakon što mu se izraz "gravitacijski potpuno urušeno tijelo", kojim se dotad koristio, učinio pomalo rogobatan.

U Općoj teoriji relativnosti gravitacija je manifestacija zakrivljenosti prostora-vremena. Masivni objekti poremete prostor-vrijeme tako da uobičajena pravila geometrije nisu primjenjiva. U blizini crne rupe zakrivljenost prostora je tako snažna da crne rupe dobivaju neke vrlo čudne značajke.

Crna rupa ima nešto što zovemo "horizont događaja" ("događajni obzor").

 Horizont događaja je sferična površina koja označava granice crne rupe. Možete ući u horizont događaja, ali ne možete izaći van. Zapravo, jednom kad prijeđete horizont osuđeni ste da se neumoljivo približavate "singularnosti" (točki beskonačne gustoće) u središtu crne rupe. Horizont događaja je udaljenost od središta crne rupe na kojoj je brzina oslobađanja jednaka brzini svijetlosti i naziva se Schwarzschildov radijus. Izvan horizonta događaja brzina oslobađanja je manja od brzine svijetlosti, pa ako imate dovoljno jaku raketu možete pobjeći, ali ako se nađete unutar horizonta, odnosno Schwarzschildovog radijusa, bez obzira koliko jaku raketu imali, ne možete pobjeći. Unutar tog kritičnog radijusa prostor-vrijeme su tako ekstremno zakrivljeni da je crna rupa zapravo odsječena od ostatka svemira. Na neki način postaje "mali" svemir sa svojim vlastitim pravilima, iz kojeg ništa, pa ni svijetlost, ne može pobjeći.

Simulacija supermasivne crne rupe

Horizont događaja ima neke vrlo neobične geometrijske osobine. Za promatrača daleko od crne rupe izgleda kao lijepa, statična sferična površina. Ali ako priđete bliže zamijetit ćete da se, zapravo, kreće brzinom svijetlosti. To objašnjava zašto je lako prijeći horizont, ali nemoguće izaći. Ako se horizont kreće brzinom svijetlosti da biste pobjegli van, morali biste se kretati brže od svijetlosti, a budući da ništa ne može ići brže od svijetlosti, ne možete pobjeći iz crne rupe.

 Unutar horizonta vrijeme-prostor je tako zakrivljeno da vrijeme i prostor mijenjaju mjesta. Tako, "r", koordinata koja označava koliko ste daleko od središta (prostor), ponaša se kao vremenska koordinata, a "t", vremenska koordinata, kao prostorna. Jedna posljedica toga je da r postaje sve manja i manja vrijednost, baš kao što u normalnim okolnostima ne možete izbjeći kretanje naprijed u budućnost (prema sve većoj i većoj vrijednosti t). Mora doći do singularnosti kod r=0. Možete pokušati to izbjeći paljenjem vaše rakete, ali to je uzaludno: bez obzira u kojem smjeru krenuli ne možete izbjeći budućnost. Pokušavati izbjeći središte crne rupe, kad ste jednom prešli horizont događaja, isto je kao pokušavati izbjeći slijedeći četvrtak.

Teoretska istraživanja pokazuju da crne rupe imaju samo tri svojstva koja ih određuju: masu, električni naboj i rotaciju. Električki nenabijene, nerotirajuće crne rupe objašnjene su Schwarzschildovim rješenjem Einsteinovih jednadžbi; električki nabijene, nerotirajuće crne rupe objašnjene Reissner-Nordstrom rješenjem; električki nenabijene, ali rotirajuće crne rupe objašnjene Kerrovim rješenjem; i rotirajuće, električki nabijene crne rupe objašnjene Kerr-Newmanovim rješenjem. Crne rupe nemaju drugih svojstava.

Posebno je zanimljivo Kerrovo rješenje, jer se smatra da su "prave" crne rupe najvjerojatnije rotirajuće i električki nenabijene. Jedna od zanimljivih posljedica rotirajuće crne rupe je da singularnost više nije matematička točka, nego prsten (krug). Prema jednadžbama trebalo bi biti moguće proći kroz taj prsten i pojaviti se u drugom području prostora-vremena (možda u drugom Svemiru, na drugom mjestu i/ ili u drugom vremenu u našem Svemiru). To nas vodi do spekulacija o upotrebi crnih rupa kao vremenskog stroja.