Černé díry už nejsou tolik černé

/ 20.08.2021 /

Černé díry jsou fascinující astronomické objekty. Svědčí o tom skutečnost, že právě ony bývají předmětem dotazů mnoha návštěvníků hvězdáren a to dokonce včetně žáků základních škol. A právě o těchto velice zajímavých objektech nám ve své skvělé přednášce povídal Ing. Petr Dvořák, Ph.D.

Z velice širokého spektra elektromagnetického záření vidíme pomocí našich očí jen velice úzkou část. Kdybychom například chtěli vidět rádiové vlny, museli bychom mít obrovské oči. Ale přitom právě v různých neviditelných částech elektromagnetického spektra se odehrávají snad vůbec ty nejzajímavější věci ve vesmíru.

Již ve druhé polovině 19. století přišli fyzikové prostřednictvím Maxwellových rovnic na podstatu světla a podařilo se jim přesně změřit jeho rychlost. Díky interferometrickému experimentu se však současně přišlo i na neobyčejně zajímavou věc, že se totiž světlo šíří ve všech směrech naprosto stejnou rychlostí, nezávisle na tom, jakým směrem se samotný interferometr pohybuje! Z tohoto zjištění vyšel potom Albert Einstein, když v roce 1905 formuloval svoji speciální teorii relativity. Ta mimo jiné předvídá, že u pohybujících se objektů dochází navíc ke kontrakci délek ve směru pohybu a k dilataci času. Einstein také odvodil, že, v každé hmotě je skryté obrovské množství energie. V roce 1912, právě když pobýval v Praze, popsal Albert Einstein ještě tzv. „princip ekvivalence, který je klíčem k pochopení vztahu mezi zrychlením a gravitací. A odtud je již jen krůček k myšlence, že hmota působící gravitaci současně deformuje časoprostor. Když potom v roce 1919 Arthur Eddington během úplného zatmění skutečně změřil zakřivení paprsků světla vzdálených hvězd v gravitačním poli Slunce, byla teorie relativity všeobecně přijata a Einstein se stal přes noc vědeckou celebritou první velikosti.

Z teorie relativity též vyplývá nutnost existence gravitačních vln, což nás přivádí přímo k pochopení podstaty černých děr. V principu jsou černé díry taková hmotná tělesa, na jejichž povrchu je úniková rychlost právě rychlost světla. Takovým tělesem by mohlo být například i naše Slunce, pokud by se nám jej povedlo natlačit do koule o průměru 3 km, nebo naše Země slisovaná do kuličky veliké 2 cm!

Pojem „černá díra“ poprvé použil v roce 1967 americký fyzik John Wheeler, ve svém pořadu na BBC. I když jej zamýšlel původně spíše urážlivě, v podstatě se jedná o geniální pojmenování, protože z takovéhoto objektu jednak nic neuniká a navíc je to doslova díra v časoprostoru, od našeho světa oddělená horizontem událostí.

Mohou ale černé díry ve skutečném vesmíru reálně existovat? Mohou vůbec hvězdy tropit takové hlouposti, aby se zhroutily v černou díru? Kupodivu ano. I když jen velice zřídka, přeci jen tu a tam vznikne výjimečně hmotná hvězda, která se na konci svého krátkého a hýřivého hvězdného života nevyhnutelně zhroutí do černé díry. Jádro takové hvězdy zkolabuje do superhustého tělesa, na jehož povrchu je úniková rychlost právě rychlost světla a skryje se pod horizontem událostí.

Stejně jako rotují rychleji, či pomaleji všechny hvězdy, rotují i všechny černé díry a vzhledem ke svým malým rozměrům dokonce vždy velmi rychle. Rotace je velice důležitý parametr černých děr, protože černá díra strhává okolní časoprostor a deformuje do tvaru rotačního elipsoidu i samotný horizont událostí.

Nejmenší reálně existující černé díry mají hmotnosti asi třikrát větší než Slunce a velikost řádově 10 kilometrů, ty největší, v jádrech galaxií, mohou svými rozměry daleko převyšovat oběžnou dráhu Neptuna.

Černé díry si také zachovávají elektrický náboj a prakticky všechny obklopuje akreční disk rotující látky. Uprostřed každé černé díry se nachází tzv. „singularita“. Zde narážíme na hranice kvantové fyziky, ale singularitu si můžeme představit docela dobře třeba v matematice jako dělení nulou, nebo v kartografii jako zeměpisný souřadnicový pól. Singularita představuje těžiště černé díry, v případě rotujících černých děr však může mít i tvar prstýnku!

Jak ukázal Stephem Hawking, přímo z horizontu událostí se může černá díra na kvantové úrovni odpařovat a postupně tak ztrácet na hmotnosti. Toto odpařování je tím intenzivnější, čím je černá díra menší a v případě mikroskopických černých děr je tento proces zakončen v podstatě výbuchem! Nicméně takovéhle vzplanutí se prakticky nikdy nepodařilo pozorovat.

Nedaleko nad horizontem událostí se nachází tzv. „fotosféra“, čili místo, kde je oběžná rychlost právě rychlost světla. Kdybychom se zde nacházeli, mohli bychom před sebou spatřit svá vlastní záda…

Zajímavá je též vrstva zvaná „ergosféra“, která vzniká pouze u rotujících černých děr, které svou rotací dokáží strhávat časoprostor. Britský matematik a kosmolog Roger Penrose popsal způsob, jak z rotujících černých děr získávat energii na úkor samotné černé díry. Jedná se v podstatě o princip gravitačního praku. Černé díry by tak mohly teoreticky sloužit, jako prakticky nevyčerpatelní zdroje energie.

V akrečním disku mateiálu, obklopujícího černé díry, pak indukují nabité částice plasmatu podle Ampérova zákona velice silné magnetické pole, které urychluje plasma nad póly akrečního disku. V případě černých děr v jádrech galaxií dokáží tyto výtrysky někdy přezářit dokonce celé mateřské galaxie a to především v rentgenovém a dalším krátkovlnném záření.

Neskutečně zajímavé je také extrémní gravitační čočkování způsobené černými děrami. Úžasně silná gravitace totiž dokáže zakřivit časoprostor tak, že černou díru můžeme vidět i zezadu, včetně zadní části akrečního disku a černá díra samotná se dokonce může schovat do svého gravitačního stínu. Jak se nám černá díra jeví zvenčí pak velice záleží na úhlu pohledu i na tom jak černé díry rotují.

První černá díra byla objevena již v 60. letech 20. století, jako jasný bodový zdroj v souhvězdí Labutě zářící v rentgenové části spektra. Dostal název Cygnus X-1. Později byly detekovány také jeho výtrysky a ukazuje se, že černé díry jsou obecně velice dynamické objekty, které se významně proměňují v čase. Spoustu informací z akrečních disků získáváme pomocí tzv. „echa“ různých procesů, které lze připodobnit k ozvěně po dopadu kapky v jeskyni. Dnes měříme i spektra těchto jevů a pozorovaly se i různé oscilace. Na základě pozorování záblesků gama záření dnes detekujeme vznik asi 90 černých děr ročně. A díky detektorům gravitačních vln jsme již pozorovali dokonce i slučování černých děr. Tyto děje nejsou ojedinělé a tato pozorování odhalila i černé díry s hmotností kolem 150 hmot Slunce. Ještě před několika lety jsme znali pouze hvězdné černé díry s hmotností maximálně desítek hmotností Slunce a potom superhmotné černé díry v centrech galaxií, s hmotnostmi miliónů až miliard hmotností Slunce. Od loňského roku však již známe i černé díry středních hmotností a je zřejmé, že velmi hmotné černé díry vznikají spojováním menších černých děr. I v jádru naší Galaxie se patrně nachází několik černých děr, které se časem budou slučovat.

Průlomové pozorování nedávno podnikl The Event Horizon Telescope, kterému se podařilo přímo zobrazit akreční disk a gravitační stín supermasivní černé díry v jádře galaxie M87 v kupě galaxií v souhvězdí Panny.

A pokud byste se chtěli podívat přímo do výtrysku látky z černé díry, navštivte naši ždánickou hvězdárnu v jarních měsících. V okuláru dalekohledu můžete na vlastní oči uvidět tečku – kvasar 3C-273, vzdálený asi 2,5 miliardy světelných let. Takto vzdálený vesmírný objekt byste samozřejmě nikdy neměli šanci spatřit dalekohledem z naší hvězdárny přímo, kdyby nám však nepomohla jedna supermasivní černá díra, do jejíhož výtrysku se díváme.

Přednáška o černých děrách byla neobyčejně zajímavá a Ing. Petr Dvořák, Ph.D. ji přednesl tak, že nezůstal nic dlužný svému ocenění „Pedagog roku“. Zaslouženě se těšila velikému zájmu veřejnosti, prakticky na hranici povolené kapacitě sálu.

Ing. Petr Dvořák, Ph.D. na ždánické hvězdárně ve společnosti RNDr. Vladimíra Kotíka a studentů Gymnázia Kyjov.