Tajemství černých děr, 1. díl: Odkud se vzaly a jak se projevují navenek?

- Vesmír autor: Pavel Vachtl

Černé díry jsou významné objekty, jimiž se už dlouho zabývá moderní astrofyzika. Jsou už také nejméně 50 let hitem populární kultury a sci-fi. Samotný název "černá díra" přitom zpopularizoval fyzik John Wheeler v roce 1967, poté, co mu ho k použití během přednášky navrhl jeden ze studentů.

Černá díra. Ilustrace

Černá díra. Ilustrace,zdroj: NASA

Termín černá díra se dokonce stal i běžnou hovorovou metaforou. Používá se třeba v případech, kdy něco někam nevysvětlitelně nebo nenávratně mizí, případně je-li něco k něčemu nezastavitelně přitáhováno nebo čímsi pohlcováno.

Skutečné černé díry jsou však velmi důležitým fyzikálním jevem, jehož vlastnosti a projevy souvisejí se základními rysy našeho vesmíru, tedy časoprostorem i hmotou v něm. Je zřejmé, že jak všechny důsledky a souvislosti jejich existence, tak i podrobné rysy jejich stavby stále ještě neznáme.

Vzhledem k jejich exotickým vlastnostem se mohlo na začátku historie jejich studia zdát, že je jejich postavení v našem vesmíru spíše okrajové a jejich výskyt řídký. Avšak zřejmě tomu bude právě naopak - černé díry totiž souvisejí s vývojem a stavbou vesmíru a možná i s fyzikou mikrosvěta, a to opravdu velmi těsně.

Černé díry a obecná teorie relativity

Černé díry jsou obecně velmi hmotná a zároveň extrémně hustá vesmírná tělesa, jejichž základní vlastnosti odvodili vědci přesně poprvé z obecné teorie relativity, tedy z Einsteinovy teorie gravitace. Mohou přitom vzniknout z jakékoliv formy hmoty. Je zcela jedno jakého druhu, záleží jen na její celkové hmotnosti/energii, vtlačené do dostatečně malého prostoru.

Černá díra je objekt až natolik hmotný, že jeho gravitační pole je v určité omezené oblasti časoprostoru tak silné, že žádný hmotný objekt včetně světla nemůže tuto oblast opustit (odtud i název černá díra). Černou díru proto nelze našimi dalekohledy nebo dalšími přístroji pozorovat přímo.

Černá díra však znamená ještě víc - jde dokonce o jakési lokální zhroucení časoprostoru samotného, který je tak nenávratně vtahován k jistému bodu "uvnitř". Toto vše je extrémním a speciálním důsledkem Einsteinových rovnic pro gravitační pole, které obecně říkají, že přítomnost každé hmoty obdařené hmotností a tedy i zároveň energií nějak zakřivuje celý časoprostor, se vším, co se v něm nachází.

Se základní představou masivního tělesa, z jehož povrchu nelze uniknout ani rychlostí světla, přišel anglický geolog John Michell již v roce 1783, a to na základě starší Newtonovy teorie gravitace. Michell spočítal, že těleso s poloměrem pět set krát větším, než je poloměr Slunce, a zároveň stejně husté by mělo na povrchu únikovou rychlost rovnou rychlosti světla. Jakékoliv vyzářené světlo z ještě o něco většího tělesa by pak na něj spadlo zase zpátky, takže toto těleso by bylo navenek neviditelné.

Později tuto koncepci podpořil i významný francouzský matematik Pierre Simon de Laplace. Až v roce 1915 však Albert Einstein vytvořil novou teorii gravitace nazývanou také obecná teorie relativity, ze které přímo vyplývalo, že gravitace působí i na světlo v principu stejně jako na částice látky. 

V tu dobu již bylo také známo, že rychlost světla je ve vesmíru rychlostí maximální a že když z "Michellova objektu" neunikne světlo, pak neunikne ani nic jiného. Brzy poté jiný Němec Karl Schwarzschild (během své služby v armádě) vypočítal první speciální řešení Einsteinových rovnic speciálně pro gravitační pole generované hmotným bodem a černá díra se tak poprvé ukázala ve své plné teoretické kráse.

Od něj také pochází pojem Schwarzschildův poloměr, který označuje poloměr koule, do které je třeba vměstnat hmotu, aby vznikla černá díra. Je však nutno říct, že obecná teorie relativity zde vytvořila prostřednictvím černých děr takový zvláštní konstrukt, že se jí samotné vymyká a svými důsledky ji výrazně přesahuje, jde daleko za její hranice. Pro skutečně uspokojivou teorii černých děr a vysvětlení řady jejich vlastností bude totiž třeba sáhnout k teorii kvantové gravitace, která zatím stále ještě neexistuje.

Působení černých děr na blízké okolí

Postupně nacházeli astrofyzikové v naší Galaxii i mimo ni různé objekty, jejichž chování (tj. zejména ovlivňování jejich blízkého okolí) vlastnostem černých děr odpovídalo. To, co jako známku existence černé díry přímo registrujeme, není logicky vlastní záření (pocházející z) černé díry, ale především zářivé projevy gravitací urychlované hmoty pohybující se v jejím těsném okolí.

Dá se říci, že tyto projevy jsou natolik rozmanité, že astrofyzikové dodnes neobjevili ani zdaleka všechny z nich a mohou být proto opakovaně překvapováni tím, jak je svět okolo černých děr pestrý a bohatý. Jedním z těchto důležitých projevů je například tzv. rotující akreční disk kolem černé díry (akreční disk je obecně disková struktura vytvořená z rozptýleného materiálu obíhajícího okolo nějakého centrálního tělesa). 

Černá díra, která je obklopena dostatkem materiálu z okolního mezihvězdného prostoru, tuto hmotu do sebe postupně vtahuje. Zároveň ji i urychluje a stlačuje, přičemž se kolem ní vytvoří rychle rotující hmotný disk, v němž dochází ke vzájemným intenzivním srážkám urychlovaných a stlačovaných hmotných částic.

Částice se pak prudce zahřívají a intenzivně září (prakticky do všech směrů) například v rentgenovém ale někdy i v mnohem méně energetickém radiovém oboru elektromagnetického spektra. Nutno říci, že samotné černé díry také často rychle rotují.

Dalším zářivým projevem v okolí rotujících černých děr jsou pak někdy prudké a velmi směrované výtrysky plazmatu čili ionizované hmoty (jets) z hranice černé díry do vnějšího prostoru, které jsou orientovány rovnoběžně s její rotační osou. Hmota pak tryská z tohoto systému oběma směry do obrovských vzdáleností a velkou rychlostí. To pozorujeme často např. u tzv. kvazarů (kvazar je označením pro vzdálené aktivní galaktické jádro s velkou zářivostí. Záře vychází hlavně z akrečního disku, který obklopuje masivní černou díru ve středu odpovídající galaxie).

Černé díry "hvězdného původu"

Černá díra je, jak jsme si řekli výše, velmi extrémní a kompaktní formou do sebe zhroucené hmoty resp. časoprostoru. S tím je zároveň spojeno extrémní zakřivení prostoročasu uvnitř i kolem ní. Tento útvar vykazuje tak silnou gravitaci, že rychlost potřebná k úniku z hranice jeho působení je větší nebo aspoň rovna rychlosti světla.

Samotný objekt tedy nemůžeme vidět pomocí z něj vyzářených fotonů, i když světlo, vyzařované z jeho bezprostředního okolí už vidět můžeme (a podle jeho charakteristických vlastností také někdy můžeme černou díru odhalit). Černé díry mají také tendenci postupně růst, pokud mají kolem sebe dost materiálu, a zvyšovat tak svůj poloměr i gravitační dosah.

Černé díry často vznikají jako následek gravitačního kolapsu velmi hmotných a vyhořelých zbytků hvězd na konci jejich "života" - jde tedy o hvězdu, která se po spálení termonukleárního paliva vlastní vahou (již dále nekompenzovanou tlakem záření) zbortí do sebe. Hmotnost takového zbytku hvězdy musí být přitom větší než asi tři až pět hmotností Slunce a zpravidla nebývá větší než 50-80 hmotností Slunce.

Nejmenší černá díra "hvězdného původu" má poloměr zhruba devět kilometrů (pro srovnání - hypotetická černá díra s hmotností Země by měla poloměr jen devět milimetrů). Černé díry ale mohou vznikat také srážkami a následným spojováním menších černých děr. Mohou také postupně dále růst, pokud mají ve svém okolí například plyn a prach.

Černé díry tohoto typu můžeme i v rámci naší Galaxie pozorovat většinou tehdy, pokud jde o zkolabovanou hvězdu z těsného dvojhvězdného systému, přičemž černá díra se zde krmí gravitačně vyvolaným přesunem hmoty ze sousední normální hvězdy do akrečního disku černé díry. To bývá doprovázeno intenzivním zářením v rentgenové oboru, tedy v oboru paprsků X.

První černou díru tohoto typu pozorovali astronomové již v roce 1964, jako zdroj rentgenového záření s označením Cygnus X-1 (leží v souhvězdí Labutě, ve vzdálenosti asi 6100 světelných let od Slunce). V roce 1971 astronom Tom Bolton identifikoval objekt Cygnus X-1 jako černou díru, která obíhá kolem modrého a velmi svítivého hvězdného nadobra a zároveň z něj postupně vysává hmotu.

Další díl vyjde v pátek 15. června a bude věnovaný černým dírám "nehvězdného původu". 

Tagy: Vesmír černá díra věda a poznání černé díry