Tajemství černých děr, 2. díl: Jak vznikly černé díry nehvězdného původu

- Vesmír autor: Pavel Vachtl

Černé díry jsou velmi hmotná a zároveň extrémně hustá vesmírná tělesa. Často vznikají zborcením hvězd do sebe. Je to však je jeden - svým způsobem zároveň nejnudnější - ze způsobů jejich vzniku. Druhý díl mikroseriálu se proto věnuje černým dírám "nehvězdného původu".

Ilustrační snímek

Ilustrační snímek,zdroj: NASA

Černé díry primordiální

Astrofyzikové předpokládají, že některé většinou hodně malé až mikroskopické černé díry se zformovaly brzy po Velkém třesku, dokonce už během první sekundy po vzniku našeho vesmíru, jako následek náhodných a prudkých lokálních zhuštěnin hmoty. V té době byla hustota hmoty ve vesmíru ještě tak obrovská, že už náhodné lokální zvýšení této hustoty o asi 10 procent mohlo vést ke gravitačnímu mikrokolapsu hmoty v daném místě a ke vzniku černých mikroděr zhruba o hmotnosti několika lidských vajíček (několik desítek mikrogramů).

Tak malé černé díry by ovšem byly pravděpodobně velmi nestabilní a rychle by se vypařily (pro zajímavost: Proto zřejmě nemůžeme uměle vyrobit mikroskopické černé díry v našich urychlovačích – neumíme zde k tomuto účelu vyvinout pomocí srážek částic dostatečnou hustotu energie). Pokud by se však rychle pospojovaly a mohly by dále růst, mohly by přežít. To by ovšem k dnešnímu dni musely mít hmotnost nejméně několik miliard tun, čemuž by odpovídal zhruba rozměr atomového jádra.

Takových "přeživších" však bude velmi málo. Černé díry vzniklé díky lokálním zhuštěninám po Velkém třesku mohou mít ve skutečnosti jakkoliv velkou hmotnost, avšak čím větší tato hmotnost bude, tím menší je i pravděpodobnost vzniku takové černé díry.

Tomuto druhému typu se říká primordiální černé díry, zatím však nebyly ani nepřímo pozorovány, jsou pouze teoreticky předpovězeny. V naší Sluneční soustavě se pravděpodobně nevyskytují, respektive nic tohoto typu zde zatím nebylo pozorováno.

Z hlediska celého vesmíru by ovšem primordiální černé díry mohly tvořit část takzvané temné hmoty, která tvoří většinu hmoty našeho vesmíru. Mohou se také vyskytovat v řídkých kulovitých oblacích, obklopujících galaxie, v tzv. halo.

Supermasivní černé díry, vznik a vývoj galaxií

Kromě černých děr vzniklých gravitačním kolapsem hvězd (s hmotnostmi více než tři až pět hmotností Slunce) v dnešním vesmíru pozorujeme také tzv. supermasivní černé díry, které jsou umístěny v centrech skoro všech větších galaxií nebo kvazarů a jejich hmotnost dosahuje řádově statisíců až desetimiliard hmotností našeho Slunce.

V podstatě lze říct, že bez pomoci mohutných gravitačních sil těchto velmi hmotných a kompaktních monster by se galaxie ani nemohly dostatečně rychle zformovat, protože ve vesmíru většinou velmi rozptýlená a řídká hmota by nemohla patřičně rychle zhoustnout a smrštit se do podoby galaxií.

To ovšem klade naší vědě otázku, jak se takto rychle po vzniku vesmíru mohly supermasivní černé díry vytvořit a jaký mechanismus k tomu asi mohl sloužit. Postupný scénář vzniku pomocí kolapsů masivních hvězd a následného růstu nebo spojování takto vzniklých černých děr “hvězdné hmotnosti” by trval příliš dlouho.

Navíc by nestačil na rychlé vytvoření galaxií a kvazarů (což jsou vlastně velmi dynamická a aktivní jádra galaxií), které můžeme pozorovat i v obrovských vzdálenostech čili v hluboké minulosti, někdy i v raném období vesmíru (například 800 milionů let po Velkém třesku). A to přesto, že průměrná galaxie "první generace" byla pravděpodobně o dost menší než běžná galaxie dnes, tedy když se podíváme na statistický vzorek galaxií v okolí naší Mléčné dráhy.

V červnu 2007 například objevil tým astronomů z Kanady, Francie a USA dalekohledem CFHT na Havaji černou díru ve vzdálenosti 13 miliard světelných let od Země, která se nachází ve středu kvazaru. Jedná se o nejvzdálenější černou díru, která byla zatím nalezena.

Tehdy však bylo na druhou stranu možné, aby se z velkých oblaků mezihvězdného vodíku a hélia působením masivních shluků temné hmoty utvořily černé díry v podstatě tzv. přímým kolapsem a to navíc velmi rychle, tj. bez postupného vytváření a dlouhého vývoje mnoha normálních hvězd (variantou zde ovšem mohl být také jistý mezistupeň v podobě krátce žijících supermasivních hvězd velmi nadměrných rozměrů).

Tento mechanismus však mohl fungovat jedině díky všudypřítomnému a intenzivnímu ultrafialovému záření, kterého byl tehdy horký vesmír plný. Bez něj by se chladná mezihvězdná hmota rozpadla na jakési lokální menší "žmolky", ze kterých by hojně vznikly normální hvězdy, nikoliv však černé díry.

Supermasivní černou díru o relativně menší hmotnosti (cca 3,7 milionu hmotností Slunce) máme i ve středu naší galaxie, Mléčné dráhy. Kromě specifických gravitačních účinků na své okolí (astronomové již řadu let pozorují pohyb tzv. S-hvězd v okolí galaktického centra) se tato kompaktní oblast o rozměru o málo větším, než je naše Sluneční soustava, označená jako Sagittarius A*, vyznačuje také mohutným a stabilním vysíláním rádiových vln a občas i proměnlivého rentgenového záření.

Obojí pochází z hustého (tzv. akrečního) disku okolní hmoty, která je vtahována a urychlována směrem do této černé díry a jelikož se její částečky při obrovské energii srážejí a intenzivně zahřívají, následkem toho se uvolňuje také silné záření v mnoha oborech spektra, které pozorovat i na Zemi.

Jádro naší Galaxie leží ve směru souhvězdí Střelce, kde Mléčná dráha ve viditelném světle září nejjasněji a zároveň obsahuje nejvíce hvězd. Je od nás vzdáleno asi 24 800 světelných let. Hustota objektů pochopitelně směrem ke středu Galaxie vzrůstá. V poměrně malém prostoru galaktického jádra je tak nakupeno mnoho hvězd, hvězdokup, mezihvězdné hmoty, tmavé hmoty, rádiových, rentgenových, infračervených zdrojů a uprostřed toho všeho se skrývá obrovská černá díra, která je vlastně jakýmsi "vládcem" celé Galaxie, který ji drží pohromadě.

Dodejme, že tato gigantická černá díra je v porovnání s obdobnými monstry v centru jiných galaxií ještě relativně klidná a málo aktivní. Samotná přítomnost supermasivních černých děr v jádrech galaxií a kvazarů však neznamená, že budou všechny hvězdy v příslušné galaxii nebo celá hmota kvazaru centrální černou dírou pohlceny. Ve skutečnosti jsou většinou celková hmotnost hvězd v galaxiích (nebo v jejich centrálních oblastech) a hmotnosti supermasivních černých děr v jejich jádrech vzájemně rovnovážně propojeny, jako spojené nádoby.

Velká část hvězd v galaxiích se nachází v bezpečné vzdálenosti od centrální černé díry nebo vykazuje dostatečnou oběžnou rychlost, která jim brání v pádu do tohoto “otesánka”, nacházejícího se v centru jejich galaxie. A to i tehdy, když jádro nějaké galaxie obsahuje dvě nebo více supermasivních černých děr, což někdy pozorujeme.

V centru naší Galaxie se ovšem navíc nachází nejméně tisíce malých černých děr o hmotnosti zhruba mezi pěti a třiceti hmotnostmi Slunce, zřejmě hvězdného původu. Tento rok by se měla na strukturu oblasti Sagittarius A* detailně podívat nově vzniklá spřažená soustava radioteleskopů rozmístěných po celé zeměkouli, zvaná Event Horizon Telescope.

Vědci doufají, že se jim postupně povede zmapovat prostor kolem uvnitř “číhající” černé díry snad až k samé její hranici, tedy k tzv. horizontu událostí.

Černé díry střední hmotnosti (a velikosti)

Tato střední kategorie zahrnuje hypotetické černé díry s hmotnostmi řádově stovek až desetitisíců hmotností Slunce. Jsou tedy o řád těžší než černé díry hvězdného původu a o několik řádů lehčí než supermasivní černé díry v jádrech galaxií nebo kvazarů.

Pravděpodobně je můžeme najít v centrech některých galaxií jako aktivní galaktická jádra, která vydávají rentgenové záření, slabší než u kvazarů. Někdy se vyskytují i mimo jádra galaxií, přičemž září v rentgenovém oboru více než zdroje hvězdného původu. 

Astronomové již vytipovali některé kandidáty, kteří by mohli být černými děrami střední velikosti. Například v listopadu roku 2004 tým astronomů oznámil objev prvního kandidáta černé díry této kategorie v naší Galaxii, který obíhá přibližně tři světelné roky od objektu Sagittarius A*.

Tato černá díra má hmotnost 1300 hmotností Slunce a „táhne“ s sebou shluk sedmi hvězd, což je pravděpodobně zbytek obří hvězdokupy, která byla roztrhána gravitačními slapovými silami galaktického centra. Toto pozorování by mohlo podporovat teorii, že gigantické černé díry mohou „růst“ poté, co pohltí blízké menší černé díry nebo hvězdy.

Pokud jde o vznik černých děr střední velikosti, existují zde tři možné scénáře. Možná jde o produkty zmíněného spojování nebo postupného růstu menších černých děr, o výsledky kolizí masivních hvězd v hustých hvězdokupách nebo o původně primordiální černé díry, které během mnoha miliard let mnohonásobně narostly až do poměrně obludných rozměrů (nikoliv však ještě těch nejobludnějších).

Tagy: fyzika Vesmír černá díra astrofyzika věda a poznání černé díry