Erné díry: Odkud pocházejí a proč se o ně vědci tolik zajímají

Jednou z tajemství vesmíru, která stále uchvacuje mysl vědců z různých zemí, jsou černé díry. Zaujímají ústřední místo v kosmologii a astrofyzice a jsou považovány za jeden z nejzáhadnějších jevů. O tom si povíme v našem článku. Povíme si, co jsou černé díry, jak ovlivňují vesmír a jaké teorie o nich existují.

Co je černá díra?

Černá díra není ani objekt, ale oblast prostoru, kde je gravitační síla tak silná, že nic, ani světlo, nemůže uniknout. Černé díry často vznikají po smrti hmotných hvězd. Když jí dojde vlastní jaderné palivo, může se pod vlastním gravitačním tlakem zhroutit a proměnit se v černou díru.

Aby se hvězda stala černou dírou, musí se její jádro zhroutit natolik, že překročí Schwarzschildův poloměr – poloměr, na který musí být objekt stlačen, a který závisí na hmotnosti samotného objektu.

Černá díra se může zrodit i uprostřed galaxie. I tam dochází ke kolapsu, jen tentokrát z mnoha hvězd a plynu. Poté se objeví supermasivní černá díra, která může mít hmotnost až 20 miliard Sluncí. Jen vteřinu naše Slunce váží 1 983 000 000 000 000 000 000 000 000 000 kg. Černé díry tedy mají neuvěřitelně silnou gravitaci, která je schopna deformovat čas a prostor kolem sebe.

Typická černá díra ve vakuu
Strukturu černé díry lze popsat následovně:

Fotonová koule. Jde o unikátní prostor kolem černé díry, kde fotony vlivem její gravitace vstupují na orbitální trajektorie kolem ní, podobně jako planety obíhají kolem hvězdy. Pokud se ocitnete ve fotonové sféře černé díry, setkáte se s neobvyklým jevem: otočíte-li se zpět a podíváte se na sebe, budete moci vidět své vlastní tělo, jako byste byli ve hře, kde sledujete svou postavu z pohledu třetí osoby.

Horizont událostí. Tohle rozhodně není místo, kam se dostat, protože vás čeká pouze jednosměrná a nevratná cesta. Tento prostor odděluje černou díru od zbytku vesmíru, protože přitažlivost černé díry za horizontem je tak silná, že žádná rychlost, ani rychlost světla (300 tisíc kilometrů za sekundu), vám nedovolí dostat se zpět. Síla přitažlivosti se bude neustále zvyšovat a únik z černé díry bude nemožný. Proto nezbývá nic jiného, než se uvolnit a užívat si čekání na nevyhnutelný konec. Cesta k singularitě – centrálnímu bodu černé díry, kde se gravitační síla stává nevysvětlitelně silnou, povede v naprosté tmě. Ani ten nejsilnější zdroj světla tuto absolutní tmu neosvětlí. Je prostě nemožné ji rozptýlit! Navíc se ocitnete v naprosté izolaci od zbytku vesmíru.

Nepokoušejte se opustit horizont událostí.

Pokud byste spadli do supermasivní černé díry, máte malou šanci překročit horizont událostí bez větších problémů.

Pokud je však černá díra malá, pak se šance na přežití blíží nule. Blíže k singularitě se slapové síly prudce zvyšují a stávají se nemilosrdnými: zažijete „špagetifikaci“ – obrovské slapové síly začnou na vaše tělo působit nerovnoměrně. Budete nataženi jako čerstvě rozmixované špagety. Tato přitažlivost se bude dále zvyšovat, dokud vás neroztrhá na drobné kousky. Dobrou chuť, černá díro. Vzájemná poloha horizontu událostí a singularity určuje, jak nebezpečná bude vaše cesta. Čím větší je černá díra, tím dále je horizont událostí od singularity, což zvyšuje šance na přežití při přiblížení se k ní.

© Pád do černé díry

Jedinečnost. Singularita je záhadné místo uprostřed černé díry a nikdo doopravdy neví, co to je. Jednoduše řečeno, je to bod v časoprostoru, kterým nelze protáhnout normální geodetickou čáru. V tomto bodě přestává platit většina fyzikálních zákonů, časoprostor je zdeformovaný a jeho struktura je roztržená. Fyzikální zákony zde tedy ztrácejí svou obvyklou logiku.

Výzkum naznačuje možnost využití singularit k cestování do jiných světů. Předpokládá se, že překročením singularity lze přeskočit z jedné oblasti vesmíru do druhé a vytvořit tak „tunel“ mezi dvěma částmi časoprostoru. Je to podobné stroji času, který neporušuje zákony fyziky. Takové skoky singularitou rotující černé díry by umožnily cestování časem jak do minulosti, tak do budoucnosti. Vzhledem k tomu, že se singularita nachází za horizontem událostí černé díry, je to však nemožný sen. Horizont událostí slouží jako bariéra, která neumožňuje singularitu přímo vidět. Vědci však vytvářejí modely, které s různou mírou realismu umožňují prozkoumat toto tajemné místo a jeho vlastnosti.

Ukázka toho, co objekty různých hmotností dělají s texturou časoprostoru. Ve skutečnosti gravitace těchto objektů deformuje časoprostor ve třech rozměrech, ale to není snadné ilustrovat. Černá díra tvoří tunel a kdo ví, co se stane dál.

V tomto ohledu se také předpokládá existence bílých děr.

Bílá díra

Bílá díra je hypotetický objekt ve vesmíru, do kterého nic nemůže vstoupit. Je opakem černé díry a je předpovídána stejnými rovnicemi obecné relativity. Většina fyziků se však přiklání k názoru, že bílé díry ve skutečnosti neexistují. Proč tomu tak je? Hypoteticky by takový objekt měl nadále růst a absorbovat hmotu, ale toto chování je v rozporu se známými fyzikálními zákony. Bílé díry jsou proto považovány za extrémně nestabilní a neschopné dlouhodobé existence.

Úplné Schwarzschildovo řešení umožňuje existenci černých i bílých děr. V současné době se však předpokládá, že Schwarzschildovy bílé díry ve skutečnosti neexistují. Podobně úplné Kerrovo řešení umožňuje existenci černých i bílých děr. Bílá díra v Kerrově řešení (známém pro černé díry) vzniká v jednom vesmíru v důsledku vzniku černé díry v jiném. Izraelští astronomové Alon Retter a Shlomo Heller se však domnívají, že anomální gama záblesk GRB 060614, ke kterému došlo v roce 2006, mohl souviset s bílou dírou. Alon Retter prozkoumal teorii, že bílé díry se mohou vytvořit, ale poté se okamžitě rozpadnou, což vede k jevu podobnému Velkému třesku. On a jeho kolegové tento jev nazvali „Malý třesk“.

GRB 060614 nezapadá do existujícího pozorovacího obrazu. Trvání gama záblesku bylo 102 sekund, rentgenový dosvit trval více než týden. Obvykle se gama záblesky dělí do dvou kategorií: dlouhé (více než dvě sekundy) a krátké.

Ve vesmíru existují biliony různých objektů, jejichž podstata většiny moderní věda stále plně nechápe. Mezi tyto objekty patří i černé díry – jeden z nejpodivnějších jevů ve vesmíru, jehož existenci si nedokázali představit ani autoři sci-fi. Seriál „High Tech“ podrobně vypráví o tom, jak byly černé díry objeveny a zda je lidstvo v budoucnu bude schopno nějakým způsobem využít.

Co je to černá díra

Černá díra v klasickém smyslu je oblast časoprostoru, jejíž gravitační přitažlivost je tak silná, že jí nemohou uniknout žádné objekty pohybující se rychlostí světla. Ani kvanta samotného světla.

Hranice černé díry se nazývá horizont událostí a její velikost se nazývá gravitační poloměr. Černé díry k sobě přitahují hmotu, která kolem nich vytváří akreční disk – obrovskou strukturu kolem černé díry, která rychle rotuje. Právě díky hmotě, která během rotace září, byli vědci schopni detekovat existenci černých děr. Do černé díry se dostane jen malé množství této hmoty, zbytek je poslán zpět do vesmíru ve formě plazmového proudu nebo paprsku, jehož trajektorie se shoduje s čárami magnetického pole. V některých černých dírách dosahuje rychlost této plazmy 99 % rychlosti světla.

V astrofyzice v současnosti existují čtyři hlavní scénáře vzniku černých děr.

– Gravitační kolaps velmi hmotné hvězdy. Podle této hypotézy se na konci svého života téměř každá hvězda s hmotností větší než tři hmotnosti Slunce, která již vyčerpala všechny termonukleární reakce, může proměnit právě v tento typ superhusté hmoty – neutronovou hvězdu, která je nezbytná pro vznik takové zakřivené části vesmíru. V podstatě se jedná o hvězdu, která se zhroutí pod svou vlastní vahou a táhne za sebou časoprostorové kontinuum kolem sebe. Gravitační pole tohoto objektu se stává tak silným, že z něj nemůže uniknout ani světlo. Proto se tato oblast nazývá černá díra.

– Kolaps centrální části galaxie nebo oblasti protogalaktického plynu. V podstatě je proces vzniku černých děr v této hypotéze velmi podobný první možnosti, pouze část galaxie se zhroutí pod vlastní vahou, nikoli jediná hvězda. Tato hypotéza je založena na pozorování vědců, že téměř každá galaxie má ve svém středu černou díru. To se neshoduje s verzí, že černé díry vznikají z kolabujících hvězd.

– Vznik černých děr v okamžiku počátečního rozpínání vesmíru, tzv. primordiální černé díry. Podle této hypotézy byl bezprostředně po Velkém třesku tlak a teplota ve vesmíru extrémně vysoký. Za takových podmínek byly jednoduché fluktuace hustoty hmoty, jako například na začátku rozpínání vesmíru, dostatečně významné k vytvoření oblastí s takovou gravitací. Zároveň se většina oblastí s vysokou hustotou v důsledku rozpínání vesmíru od sebe vzdálila. Kosmologové také naznačili, že temnou hmotu mohou tvořit primordiální černé díry s hmotnostmi v rozmezí 10^14 až 10^23 kg. Jsou to nejtěžší kandidáti na částice temné hmoty.

– Vznik černých děr při vysokoenergetických jaderných reakcích. Podobné reakce se používají ke studiu částic v hadronových urychlovačích.

Vědci navíc často nazývají objekty, které zcela neodpovídají jejich přesné definici, ale svými vlastnostmi se jim pouze blíží, černými dírami. Do této kategorie spadají i kolabující hvězdy v pozdních fázích kolapsu.

Od 1970. let XNUMX. století existuje mezi astrofyziky teorie o bílých dírách – naprostém opaku černých děr, které hmotu a energii nepropouštějí dovnitř, ale pouze ji vypouštějí ven. Podle matematických výpočtů by bílé díry měly vypouštět energii a hmotu v obrovském množství, ale dosud se vědcům nepodařilo najít důkaz o existenci těchto vesmírných objektů. Existuje mnoho teorií o původu bílých děr, počínaje Velkým třeskem jako bílou dírou, a konče původem tohoto objektu v důsledku smrti černé díry. Hitech o tomto typu vesmírného objektu podrobně psal zde.

Stále není známo, co se stane s černými dírami po jejich smrti. Vědci se domnívají, že vesmír je stále příliš mladý na to, aby první z nich mohla být zničena. Podle matematických výpočtů Stephena Hawkinga by se černé díry měly postupně jednoduše vypařovat a odevzdávat svou energii do okolí.

Objev černých děr

Koncept existence hmotného tělesa, jehož gravitační síla je tak velká, že rychlost potřebná k jeho překonání překračuje rychlost světla (a proto fyzicky nemůže ve vesmíru existovat), poprvé předložil anglický vědec John Michell v roce 1784.

Ve svém dopise Královské společnosti uvedl, že ve vesmíru by mohlo být mnoho takových nepozorovatelných objektů s poloměrem 500 slunečních poloměrů, ale s hustotou Slunce, jehož gravitace by neumožnila světlu uniknout.

Tato hypotéza však byla brzy zapomenuta, protože v rámci klasické fyziky nemá rychlost světla žádný zásadní význam. A teprve poté, co Albert Einstein v roce 1905 využil vývoj Lorentzovy elektrodynamiky ve své speciální teorii relativity (STR), se ukázalo, že rychlost světla je maximem, které může fyzické těleso vyvinout. To radikálně změnilo význam černých děr v teoretické fyzice.

Dalším významným příspěvkem k jejich studiu byl indický nositel Nobelovy ceny Subrahmanyan Chandrasekhar, který vytvořil zásadní monografii pro tuto oblast – „Matematická teorie černých děr“. Studoval strukturu hmotných hvězd a jejich možnou transformaci na neutronové hvězdy nebo černé díry. Kromě toho byl prvním, kdo předložil teorii „bez vlasů“ – že stacionární černá díra nemá žádné vnější charakteristiky kromě hmotnosti, momentu hybnosti a určitých nábojů (specifických pro různá materiální pole).

Ve skutečnosti byla existence černých děr prokázána až v roce 2015 a první snímek jejich stínu byl pořízen v dubnu 2019 – objev, který mnoho vědeckých expertů uznalo za hlavní vědecký průlom posledního desetiletí.

Existuje několik typů černých děr:

• Černá hvězda hvězdné hmotnosti. Takové objekty, podle obecně uznávaných hypotéz, vznikají v důsledku kolapsu hvězdy. Minimální hmotnost tělesa, které by mělo takový objekt vytvořit, je asi tři hmotnosti Slunce.
• Černá hvězda střední hmotnosti. Mezistupeň černé díry, která se zvětšila absorpcí plynových kup nebo sousední hvězdy v dvojhvězdné soustavě.
• Supermasivní černé díry. Objekty o hmotnosti 10⁶ -5⁻¹ Slunce s poměrně nízkou hustotou a slabými slapovými silami. Toto je černá díra ve středu Mléčné dráhy.
• Ultramasivní černé díry. Poměrně vzácný jev ve vesmíru. Například ve středu galaxie Holm 15A, nejjasnější v kupě galaxií Abell, vědci nedávno objevili ultramasivní černou díru o hmotnosti 40 miliard hmotností Slunce. Zatím se jedná o nejtěžší objekt ve vesmíru, který vědci znají. Vědci dokázali objekt objevit během pozorování pohybu hvězd v této galaxii. Jeho hmotnost je dvojnásobná oproti předchozím držitelům rekordů. Navíc je 10 000krát hmotnější než černá díra Sagittarius A* ve středu Mléčné dráhy.

Kolik černých děr je ve vesmíru?

Nikdo to neví, protože je poměrně obtížné je pozorovat a lidstvo je stále teprve na samém začátku studia těchto vesmírných objektů. S jistotou se ví, že v Mléčné dráze jich vědci objevili asi tucet, ale v naší galaxii je až 400 miliard hvězd, z nichž každá tisícina má dostatečnou hmotnost, aby na konci své existence vytvořila černou díru.