MIA

Nekonečný príbeh ČIERNEJ DIERY

Nijaký iný objekt vo vesmíre nevyvoláva vo verejnosti toľko nedorozumení ako čierne diery. Najčastejšie nezmysly, ktoré sa bežne šíria: „Čierne diery sú vysávačmi vesmíru.“ Alebo: „Čierne diery deštruujú a pohltia všetko.“

Na kombinovanej snímke Hubblovho vesmírneho ďalekohľadu a röntgenovej sondy Chandra vidíte (aj v detaile) tri zdroje röntgenového žiarenia blízko jadra galaxie Andromeda (M31). Poloha röntgenových zdrojov tesne pri jadre galaxie, ale najmä ich nápadne nízka teplota (vzhľadom k iným röntgenovým zdrojom v M31) naznačuje, že sa nachádzajú v blízkosti supermasívnej čiernej diery v jadre Andromedy. Predpokladá sa, že čierna diera leží uprostred ostrovčeka vrstevníc, zviditeľňujúcich intenzitu röntgenových zdrojov žiarenia.

   Čierne diery sa zrodili z rovníc teoretickej fyziky ako hypotetické, virtuálne objekty, ktorých gravitačná sila je taká veľká, že z nich nedokáže uniknúť ani svetlo. Za otcov čiernej diery sa považujú Angličan John Mitchell a Francúz Pierre-Simon Laplace. Obaja naprojektovali čiernu dieru (prvý v roku 1793, druhý o dva roky neskoršie) ako výsledok logickej extrapolácie Newtonových gravitačných zákonov a korpuskulárnej povahy svetla. Ich „čierne teleso“ sa dostalo do histórie vedy až vtedy, keď Einstein dokázal, že Newtonov gravitačný zákon neplatí v podmienkach extrémne hustej hmoty a jeho teóriu o korpuskulárnej povahe svetla museli moderní fyzici zásadne revidovať.
   Súčasné predstavy o čiernej diere odvodil Robert Oppenheimer z Einsteinovej všeobecnej teórie relativity. Z Einsteinovych rovníc vyplýva, že ak je hmota dostatočne hustá, jej gravitácia dokáže eliminovať všetky ostatné efekty a vytvorí priestor, z ktorého ani hmota ani svetlo nemôžu uniknúť. Názov „čierna diera“ po prvýkrát použil astrofyzik z Princetonu John Wheeler. Vo svojej prednáške z roku 1967 označil takto oblasť, z ktorej neuniká ani svetlo.
   Hranica medzi čiernou dierou a zvyškom vesmíru sa nazýva horizontom udalostí. Táto hranica je virtuálna, netvorí ju nijaká hmota. Hranica udalostí je podstate hypotetická šupka v istej vzdialenosti od centra čiernej diery. Táto vzdialenosť je tým väčšia, čím väčšia je hmotnosť čiernej diery. Čokoľvek čierna diera nasaje pod horizont udalostí, nadobro zmizne z vonkajšieho vesmíru. Ak hmota, z ktorej čierna diera vznikla, nerotovala, jej hmotnosť sa skoncentruje v strede objektu. Ak rotovala, čo je oveľa pravdepodobnejšie, potom by mala vytvoriť prstenec pod horizontom udalostí.

Akrečný disk hustého plynu obiehajúci čiernu dieru. Odtiene chladných farieb (vľavo) označujú plyn, ktorý sa blíži k pozorovateľovi, odtiene teplých farieb (okolo čiernej diery a vpravo) zviditeľňujú vzďaľujúci sa plyn. Okraj čiernej diery sa nazýva horizont udalostí. Uprostred je nekonečne hustá singularita.

   Čierne diery nevidíme, pretože svetlo z nich neuniká. Ako teda vieme, že naozaj existujú? Pretože vidíme, ako pôsobia na hmotu v okolí: na gigantické oblaky plynu a hviezdy. Gravitačný rukopis čiernej diery si nemôžeme pomýliť s nijakým iným telesom. Astronómom sa pomocou Hubblovho teleskopu a ďalších výkonných prístrojov podarilo počas uplynulých dvadsiatich rokov identifikovať veľké množstvo čiernych dier, pričom ich počet z roka na rok narastá. Niektoré z nich vznikli po kolapse masívnych hviezd, ktoré mali prinajmenšom 8-násobnú hmotnosť Slnka. Väčšina však vznikla už krátko po Big Bangu, po kolapse gigantických oblakov plynu. Okolo týchto čiernych dier sa začali formovať galaxie. V roku 1997 astronómovia na základe napozorovaných údajov dospeli k záveru, že supermasívne čierne diery tvoria jadro väčšiny z miliárd galaxií.
   Teória sa potvrdila: v posledných rokoch boli objavené supermasívne čierne diery v mnohých galaxiách. Sú to s odstupom najhmotnejšie telesá vo vesmíre, niekoľkomilión – až niekoľkomiliárdkrát väčšie ako naše Slnko. Čierne diery, ktoré vznikli po kolapse masívnych hviezd, majú hmotnosť 3–50-krát väčšiu ako Slnko. Steven Hawking navrhol aj tretí, doteraz neobjavený typ čiernej diery. Tieto primordiálne či mini čierne diery sa teoreticky mohli sformovať na začiatku času, keď sa z big bangu zrodil vesmír plný malých, ale superkomprimovaných balíkov hmoty. Slovo malý je relatívne: miničierne diery mali podľa Hawkinga hmotnosť od 1 gramu až po hmotnosť veľkej planéty.
   Vedci začali skutočnú podstatu čiernych dier chápať až po roku 1960. Čierne diery sa stali, aj vďaka astrofyzikom, obľúbenou témou literatúry sci-fi, prostredníctvom ktorej si verejnosť osvojila viaceré skreslené predstavy. Mnohí ľudia si myslia, že nenásytné čierne diery pohltia časom všetku hmotu vesmíru a jedného dňa deštruujú a vcucnú aj našu Zem. Početné filmy a televízne seriály imputovali do vedomia divákov sugestívne obrazy čiernych dier ako prázdneho priestoru či „dier vo vesmíre“.

Nešťastné pomenovanie

   Problémy čiernej diery sa začínajú už s ich menom. Po prvé: čierne diery nemusia byť ani čierne, a už vôbec nie diery. Prídavné meno „čierny“ sugeruje absolútnu neprítomnosť farby, lenže v prípade čiernej diery to znamená absenciu vyžarovaného svetla či iných emisií. Veľké čierne diery sú v tomto zmysle naozaj veľmi čierne. Menšie čierne diery však energiu vyžarovať môžu. Hawking už v roku 1974 navrhol mechanizmus, pomocou ktorého by čierne diery mohli transformovať svoju hmotu na žiarenie a častice, ktoré by dokázali uniknúť z čiernej pasce. Takéto čierne diery by už neboli celkom čierne.
   Hawkingov proces „vyparovania“ čiernych dier funguje takto: vo vesmíre sa odjakživa a na každom mieste spontánne tvoria páry častíc. Tieto častice sa navzájom po uplynutí 10 až 23 sekúnd anihilujú, takže ich krátka prítomnosť nenarušuje nijaký zákon fyziky. Napríklad aj vo vnútre našich tiel doslova kypí pena týchto „virtuálnych“ častíc. O existencii týchto častíc vieme preto, lebo boli pozorované vo vysokoenergetických urýchľovačoch. Ak rýchlo pohybujúca sa reálna častica koliduje s párom virtuálnym častíc skôr, ako sa stihnú vzájomne anihilovať, oddelí ich a uvedie do sveta reálnych častíc.
   Aj virtuálne častice, ktoré sa tvoria mimo čiernej diery na horizonte udalostí, môžu sa stať reálnymi. Ak sa jedna častica z páru ocitne o kúsok bližšie k horizontu udalostí ako jej súpútnik, gigantická gravitácia čiernej diery pôsobí na bližšiu časticu oveľa silnejšie ako na tú vzdialenejšiu a ešte pred anihiláciou ich oddelí. Vytvorí z nich dve reálne častice. Bližšiu časticu čierna diera vždy prehltne, lenže tá vzdialenejšia, často už v reálnej podobe, dostane taký gravitačný kopanec, že sa jej z dosahu čiernej diery navždy podarí uniknúť.
   Na prvý pohľad sa zdá, že tento mechanizmus umožňuje rýchlejší rast hmotnosti čiernej diery, pretože prinajmenšom jednu časticu z každého dočasného páru ňou vytvorených, reálnych častíc pohltí. Lenže takto to nefunguje: gravitačná energia, ktorá tvorí reálne častice, generuje sa v hmote vo vnútri čiernej diery. Množstvo hmoty, ktorá sa premieňa na gravitačnú energiu, schopnú roztrhnúť a zreálniť virtuálne častice vyplýva z Einsteinovej rovnice : E = (2m)c², kde 2m je celková hmotnosť dvoch nových častíc. Táto gravitačná energia pôsobí aj za horizontom udalostí a po vytvorení dvoch reálnych častíc sa hmotnosť zmenší o hodnotu 2m. Ak čierna diera nasaje iba jednu z častíc, hmotnosť čiernej diery sa zväčší iba o hodnotu m, čo je iba polovica hodnoty, o ktorú sa hmotnosť pred chvíľou zmenšila. Dôsledok: hmotnosť, ktorú čierna diera stratila sa rovná hmotnosti častice, ktorá z nej nadobro unikla. Vzdialený pozorovateľ môže teda detegovať emisie hmoty i elektromagnetického žiarenia, ktoré vznikajú nad horizontom udalostí. Teda: nie všetky čierne diery sú naozaj čierne.
   Keď sa čierna diera zmenšuje, scvrkáva sa aj jej horizont udalostí. Približuje sa k jej centru. Z rovníc vyplýva, že hodnota vyparovania sa zväčšuje, keď sa hmotnosť čiernej diery zmenšuje. Každá čierna diera teda napokon zmizne. Ostane po nej iba záblesk Hawkingovej radiácie.
   Astronómovia tieto hypotetické záblesky hľadajú. Časová škála úplného vyparenia sa čiernej diery je veľmi inštruktívna. Najmenšie priomoridálne čierne diery sa vyparili ešte pred uplynutím prvej miliardy rokov. Čierna diera s hmotnosťou Slnka zmizne po 10⁶² rokov, zatiaľ čo čierni obri v jadrách galaxií až po uplynutí milión až miliardkrát dlhšieho času.

Virtuálne častice, podobné tým, ktoré vytvorili stopy na troch políčkach, sú produktom čiernych dier; majú veľmi krátku životnosť, pretože sa navzájom anihilujú. Gravitácia čiernej diery dokáže roztrhnúť páry virtuálnych častíc a uchrániť ich tak pred anihiláciou. Jednu časticu gravitácia „vtiahne“ po horizont udalostí, druhú vykatapultuje do okolitého priestoru.

Sú čierne diery naozaj diery?

   Anglický slovník má 20 definícií slova diera; iba dve z nich sú relevantné. Prvé: diera je dutina v pevnej hmote. A presne takto si mnohí ľudia čiernu dieru predstavujú: ako dutinu, prázdnotu či vákuum uprostred priestoru. Lenže čierne diery sú priam nabité neuveriteľne kondenzovanou hmotou.
   Druhý výklad: diera je otvor v niečom, napríklad v priestore. Einsteinove rovnice sú v tomto prípade dvojzmyselné. Vyplýva z nich síce, že čierne diery nespájajú rozličné časti vesmíru tak ako „červie diery“, cez ktoré tak často putujú hrdinovia sci-fi filmov, ale zároveň sú aj miestom mimo normálneho vesmíru, teda dierou či trhlinou v tkanine univerza. Navyše: o čiernych dierach nemožno povedať, že sú celkom mimo univerza. Komunikujú s ním tromi spôsobmi. 1. Hmota v čiernej diere pôsobí presne takou gravitačnou silou na
    vzdialené objekty ako pôsobila v čase, keď ešte nebola v čiernej diere.
2. Uhlový moment čiernej diery je presne taký istý, aký mala hmota
    predtým, než sa stala čiernou dierou. To znamená, že jej rotácia pôsobí
    na priestor iba za horizontom udalostí. (Deformuje ho.)
3. Výsledný elektrický náboj všetkej hmoty v čiernej diere (ide o rozdiel
    medzi počtom pozitívnych a negatívnych nábojov), sa prejavuje iba za
    horizontom udalostí, presne ako to bolo pred okamihom, keď náboje
    vstúpili do čiernej diery.
   Teda: čierne diery nie sú diery. Čím sú teda? Gigantickými kozmickými vysávačmi? Najmenej z dvoch dôvodov nemožno čierne diery považovať za efektívny zhusťovač hmoty.
Prvý dôvod: hviezdne jadrá čiernych dier sú také malé, že dokážu skonzumovať v ľubovoľnom čase iba veľmi malé množstvo hmoty. Horizont udalostí čiernej diery s hmotnosťou 10 Sĺnk je vzdialený od jej centra asi 16 kilometrov. Normálna hviezda s rovnakou hmotnosťou by mala polomer 32 miliónov kilometrov. Čo z toho vyplýva? Čierna diera síce dokáže gravitačne pritiahnuť obrovské množstvá plynu (napríklad z blízkej hviezdy), lenže vzhľadom na to, že je taká malá, plyn krúži okolo nej v horúcom disku celé roky, (rovnako ako voda vytekajúca z vane okolo výtokovej diery), kým ho čierna diera nevcucne pod horizont udalostí.
Druhý dôvod: jediný spôsob, ktorým čierne diery dokážu absorbovať hmotu, je ich gravitačná sila. Normálna hviezda s rovnakou hmotnosťou dokáže nabaľovať hmotu aj s pomocou iných fyzikálnych efektov. Napríklad: ak ku hviezde s hmotnosťou desiatich Sĺnk letí kométa po dráhe, ktorá by minula jej jadro vo vzdialenosti 10 000 kilomterov, horúčava premení exotické ľady na plyn už dávno pred impaktom na fotosféru, zatiaľ čo horniny a kovy sa vyparia v horných vrstvách slnečnej atmosféry.

Čierna diera nie je vysávač

   Predstavme si, že tá istá kométa letí k čiernej diere, ktorá má hmotnosť 10 Sĺnk. Čierna diera na ňu bude pôsobiť rovnakou silou ako normálna hviezda s rovnakou hmotnosťou. Nakoľko hmotný výmetok čiernej diery (v podobe Hawkingovej radiácie) je v porovnaní výdajom energie normálnej hviezdy minimálny, kométa sa pod jeho vplyvom nevyparí. Navyše: čierna diera je taká malá, že bod najväčšieho možného priblíženia sa k nej leží vo vzdialenosti necelých 1600 kilomterov od horizontu udalostí. V tejto vzdialenosti bude gravitácie čiernej diery pôsobiť rovnako ako gravitácia hocijakej hviezdy: zmení dráhu kométy. Kométa sa začne vzďaľovať bez toho, aby utrpela nejaké škody. Nestratí hmotu, nezmenší sa, ani sa nerozpadne. Slapové sily čiernej diery prinajhoršom vyvolajú v pevnom jadre kométy podobný efekt ako vyvoláva Mesiac na povrchu zemských morí a oceánov. Takéto gravitačné hnietenie môže kométa prežiť bez poškodenia, prinajhoršom sa rozpadne na niekoľko kusov.
   Dokonca ani gigantické galaktické čierne diery s hmotnosťou miliardy Sĺnk, nemôžu hmotu z okolitého vesmíru nasávať, hoci na ňu gravitačne pôsobia. Astronómovia pozorujú oblaky plynu a hviezdy obiehajúce takéto telesá, ale čierne diery ich nenasávajú!
   Čierne diery však na priestor v nabližšom okolí pôsobia. Vzdialenosť medzi stredom čiernej diery a horizontom udalostí nazývame Schwarzschildovým polomerom. Všetky sprievodné efekty gravitácie čiernych dier sa prejavujú do vzdialenosti 10 Schwarzschildovych polomerov od centra čiernej diery. Za touto hranicou pôsobí čierna diera na hmotu tak ako iné telesá: normálnou príťažlivosťou.
   Vari s najbizarnejším vysvetlením povahy čiernej diery vyrukovali niekoľkí americkí teológovia. Na istej cirkevnej škole označili čiernu dieru za peklo, alebo za miesto, kde prebývajú duše nenarodených detí. Vyplynulo to z ankety, ktorú som sám inicioval.
   Astrofyzici už nazhromaždili o čiernych dierach pozoruhodné množstvo vedomostí, ale ešte zďaleka o nich nevieme všetko. Najväčšie medzery máme v chápaní procesov, ktoré spôsobujú kolaps hmoty do čiernych dier. Hmota v čiernych dierach je taká komprimovaná, že tento jav fyzici nedokážu predbežne vysvetliť.
   Riešenie tejto záhady nájdeme možno v trinástej komnate modernej fyziky, keď sa nám podarí skombinovať všeobecnú teóriu relativity s teóriou hmoty, nazývanou kvantová mechanika. Fyzici sú presvedčení, že kvantová gravitácia im pomôže objasniť nielen podstatu čiernych dier, ale aj povahu hmoty krátko bo big bangu.