Vesmír plný děr

Astrofyzici samozřejmě znají mnohem fundovanější definice černé díry, než je ta laická, kterou jsme použili na začátku. V Astronomickém ústavu Akademie věd České republiky v Praze jsme o tom natočili povídání s astrofyzikem Michalem Bursou.

Co je černá díra a jaké mechanismy vedou k jejímu vzniku?

Michal Bursa: Jako černou díru označujeme oblast prostoru, v níž je gravitační pole natolik silné, že nic, ani světlo, nemůže jeho přitažlivou sílu překonat a tuto oblast opustit. Zvlášť zdůrazňuji, že ani světlo, protože jak známo rychlost světla je v přírodě rychlostí maximální a nic se nemůže pohybovat rychleji. Druhů černých děr rozeznáváme několik, a to podle jejich původu a hmotnosti. V první řadě jsou to takzvané stelární černé díry, což jsou černé díry, které jsou hvězdného původu. Vznikají kolapsem velmi hmotných hvězd poté, co jim dojde palivo, zpomalí se termonukleární reakce a tlak produkovaného záření už není schopen vyrovnávat gravitační sílu vyvolanou jejich vlastní vahou. Tyto černé díry jsou rozesety po galaxii a mají hmotnost v řádu jednotek až desítek hmotností Slunce. Dalším typem jsou supermasivní černé díry, které váží kolem milionů až miliard hmotností Slunce. V každé galaxii žije pouze jedna taková, a to sice v jejím středu. Třetím typem jsou potom zatím hypotetické miniaturní černé díry, které mohly vzniknout zlomky sekund po velkém třesku z kvantových fluktuací hmoty. Jejich existence ale zatím nebyla prokázána, protože rozměrově jsou opravdu miniaturní - jsou menší než jádra atomu. S okolím příliš neinteragují.

Kdy a kým byla poprvé předpovězena existence černých děr a kdo vlastně vymyslel ten pojem "černá díra"?

Michal Bursa: Existence černých děr vyplynula přirozeně přímo z rovnic obecné teorie relativity, které zformoval v roce 1915 Albert Einstein, ale zpočátku to byla jenom matematická možnost, která nebyla brána příliš vážně. Teprve až o dvě dekády později se ukázalo, že hvězdy, které jsou asi třikrát těžší než Slunce, nevyhnutelně zkolabují do černé díry, neboť ani síla jaderných interakcí mezi atomy není schopná udržet gravitaci tak těžkého objektu. Vůbec první, kdo přišel s myšlenkou existence něčeho podobného jako je černá díra, byl ale už v 18. století geolog John Michell, což byl současník Isaaka Newtona. Přišel s nápadem, že pro dostatečně těžké těleso by úniková rychlost jeho povrchu mohla být větší, než je rychlost světla a také spočítal, že takové těleso by muselo být asi pětsetkrát větší než Slunce při stejné hustotě. To samotné označení "černá díra" bylo poprvé použito zřejmě roku 1964 v jednom vědeckém článku, ale rozšířilo se až koncem 60. let minulého století, kdy ho zpopularizoval americký astrofyzik John Wheeler.

Kdy se v praxi potvrdilo, že černé díry skutečně existují? A jak se to podařilo dokázat?

Černá díra v rentgenové dvojhvězdě Cygnus X-1|foto: NASA

Michal Bursa: Za první prokázanou černou díru se považuje zdroj označovaný jako Cygnus-X1, což je původem dvojhvězda v souhvězdí Labutě. Jde o jeden z nejjasnějších rentgenových zdrojů na obloze, který byl objeven hned při prvních balónových experimentech s pozorováním kosmických zdrojů rentgenového záření. Cygnus-X1 je, jak jsem řekl, bývalá dvojhvězda, kde jedna z těch dvou hvězd zkolabovala a stala se černou dírou. Z druhé hvězdy, která dál svítí a žije svým životem, na tu černou díru proudí velké množství hmoty, která okolo černé díry vytváří jakýsi plynný disk. Hmota v tom disku obíhá dokola a postupně se snáší blíž a blíž k černé díře a přitom se vlivem tření mezi jednotlivými vrstvami zahřívá, takže teplota v disku dosahuje až několika milionů stupňů. To vede potom k vyzařování velkého množství rentgenového záření a tím došlo také k odhalení přítomnosti černé díry v tomto systému.

Přítomnost černé díry tedy může pozemskému pozorovateli prozradit rentgenové záření. Způsobů, jak v kosmickém prostoru objevit tyto velice hmotné, ale přitom neviditelné objekty, je však víc. Jak jinak se ještě můžeme dozvědět o přítomnosti černé díry?

Michal Bursa: Jak už jsem řekl, některé z nich jsou obklopeny disky, které září v rentgenovém nebo ultrafialovém světle; jiné černé díry mohou vytvářet mohutné výtrysky, což jsou jakési protisměrné svazky proudící hmoty, které sahají vzhledem k rozměrům černé díry do obrovských vzdáleností. Dál se můžeme o černých dírách dozvědět pozorováním ohybu světla, přicházejícího z objektu za černou dírou, vlivem její gravitace, takzvané gravitační čočky. Nebo vidíme hvězdu, která obíhá kolem něčeho neviditelného a podle odvozené hmotnosti té neviditelné složky usuzujeme, že se jedná o černou díru.

Jaké vlastnosti černých děr můžeme zjistit z těchto nepřímých projevů jejich existence? A jakým způsobem?

Michal Bursa: Je toho hodně a zároveň málo. Černá díra je totiž co do popisu jeden z nejjednodušších objektů, jaké ve fyzice známe - dá se srovnat například s elementární částicí. Pokud neuvažujeme, že černé díry jsou nabité, což obvykle neděláme, protože většina hmoty, kterou ve vesmíru pozorujeme, je elektricky neutrální, tak potom nám k popisu černé díry stačí pouhá dvě čísla. Je to její hmotnost a rotace. Hmotnost je pouze jakousi škálou, která nastavuje velikost objektů a dá se často jednoduše zjistit pomocí třetího Keplerova zákona. Míra rotace je daleko zajímavější, neboť především ta ovlivňuje způsob, jakým černá díra působí na hmotu a pohyb částic ve svém okolí. Měření rotace je ale o poznání těžší než měření hmotnosti. K tomu potřebujeme dopravit částice do bezprostřední blízkosti černé díry a pozorovat jejich chování. Rychlost rotace černé díry se nedá vyjádřit v nějakých rozumných jednotkách, na které jsme běžně zvyklí, jako je třeba počet otáček za minutu, protože na černé díře není žádný referenční bod, který bychom mohli sledovat a měřit kolikrát proběhne za daný časový úsek dokola. To jak rychle se černá díra otáčí můžeme vyjádřit pomocí čísla, které udává poměr energie skryté v rotaci k poměru celkové energie černé díry. Jak změřit rotaci černé díry jsme se naučili teprve v posledních několika letech a můžeme tak učinit pomocí změření teploty disku, který černou díru obepíná. Jde o to, že čím černá díra rotuje rychleji, tím se disk může přiblížit blíže jejímu povrchu a tím se i více zahřeje. Čili změřením teploty disku pomocí jeho spektra můžeme usoudit, jakou má černá díra rotaci.

Čím je disk teplejší, tím černá díra rotuje rychleji?

Michal Bursa: Přesně tak.

Co se ví o dění v bezprostředním okolí černé díry? Dá se předpokládat, že v určité vzdálenosti od ní je jakási hranice, z níž už není pro hmotu návratu a odkud ji čeká pouze nevyhnutelná cesta dovnitř. Má tato mez nějaké speciální označení? A jak daleko od centra černé díry bývá? Lze to vůbec nějak definovat?

Rozdíl je to pochopitelně tak minimální, že si ho člověk nemá šanci povšimnout... Jak už jsme si řekli, v centru každé galaxie se pravděpodobně nachází supermasivní černá díra. Včetně galaxie naší, Mléčné dráhy. Jak byla tato černá díra objevena a co o ní víme?

Černé díry, stejně jako hvězdy nebo jen obyčejná zrnka písku zkrátka nikdo nikdy nespočítá. Takový je vesmír - víme o něm sice hodně, ale nikdy nepoznáme všechna jeho tajemství. S tím se však badatelé jistě nespokojí a budou se dál snažit tato tajemství odhalovat. A tak bude stále o čem psát i povídat.

Vysíláno v Planetáriu č. 18/2009, 2. května - 8. května 2009.
Přepis: NEWTON Media, a.s.
Kompletní rozhovor si poslechněte ZDE (14:10).