Fotonová sféra - pohyby částic světla v blízkosti černé díry

Jedním ze speciálních jevů v blízkosti horizontu (základního typu nerotující a elektricky nenabité) černé díry, se kterým se setká případný "extrémní" průzkumník jejího okolí, je tzv. fotonová sféra nebo koule. Jde o plochu, kde fotony (částice světla) obíhají kolem černé díry po kružnicích (všemi směry v prostoru, proto má tento útvar podobu koule). Je to vlastně oblast všech stabilních kruhových oběžných drah fotonů kolem černé díry, přičemž tato sféra se nachází jen o 50 procent dále, než (také kulový) horizont událostí.

Pokud bychom se rozhlíželi na úrovni fotonové sféry kolmo na směr od středu černé díry po jejím okolí (tedy směrem nějaké tečny k této kouli), dolní polovina našeho zorného pole (bližší černé díře) by se jevila jako zcela černá, protože od černé díry vylétávající fotony by k nám z těchto směrů nedorazily. Naopak horní polovina by byla neobvykle jasná - viděli bychom mnoho fotonů, spirálovitě klesajících do černé díry. Navíc přímo před sebou bychom spatřili svou vlastní hlavu zezadu.

Pokud bychom klesli trochu pod oblast fotonové koule, viděli bychom už jen fotony, vylétávající ven jen pod úhlem menším než 90 stupňů ke kolmici na fotonovou sféru. Těsně nad hranicí horizontu událostí by ven z okolí černé díry unikly jen fotony, které by mířily kolmo nahoru. A z oblasti na horizontu už nepronikne ven vůbec nic. Pod tímto horizontem je časoprostor už tak silně zakřiven, že se každý světelný paprsek vyzářený z této oblasti libovolným směrem bude pohybovat směrem ke středu černé díry.

Pod horizontem událostí je vše ještě podivnější

Horizont událostí kolem černé díry navíc rozdělí prostor nebo časoprostor na dvě zcela různé oblasti, kde panují různé zákonitosti a odehrávají se v nich různé děje - na prostor vně horizontu událostí a prostor uvnitř něj. A to ještě musíme vzít v úvahu, že vzdálený pozorovatel uvidí řadu podstatných procesů výrazně jinak než hypotetický pozorovatel, který volně padá do černé díry a po překročení horizontu událostí pak dále k jejímu středu.

Tam by podle klasické tedy nekvantové teorie relativity měla panovat tzv. singularita, tedy situace, kdy by zde všechny fyzikální veličiny jako je hustota, síla nebo tlak měly růst nad všechny myslitelné meze, prakticky k nekonečným hodnotám.

Co uvidí vnější pozorovatel jinak než někdo, kdo padá do černé díry? Především ten, kdo padá do černé díry, projde horizontem událostí černé díry, je během cesty roztrhán obrovskými slapovými silami a nakonec ve formě od sebe zcela odtržených elementárních částic dopadne na singularitu. Tuto cestu přitom uskuteční ze svého hlediska v konečném čase, tedy času, který je s ním spojen, tj. je tomuto padajícímu pozorovateli vlastní.

Oproti tomu vnější a velmi vzdálený pozorovatel ve svém souřadnicovém systému uvidí, že se pád nebohého "kontaktního výzkumníka černých děr" neustále zpomaluje a dotyčný během libovolně dlouhého časového úseku měřeného vnějším pozorovatelem nikdy nedosáhne dokonce ani horizontu černé díry!

Uvidí celou budoucnost našeho vesmíru

To je dáno zcela rozdílným chodem hodin ve vzdáleném souřadnicovém systému a v analogickém souřadnicovém systému, který padá do černé díry. Čím blíže horizontu černé díry, tím více uvidí vzdálený pozorovatel rytmy hodin umístěných v padajícím systému jako více zpomalené, díky obrovské gravitaci, která panuje v blízkosti horizontu černé díry.

Z toho dále naopak plyne, že padající sebevražedný výzkumník uvidí v krátkém okamžiku těsně před přechodem horizontu událostí celou budoucnost našeho vesmíru, jako v čím dál více zrychlené grotesce. A speciálním důsledkem tohoto jevu je fakt, že vzdálený pozorovatel dokonce neuvidí ani konečný výsledek kolapsu samotné hmoty, která formovala černou díru!

Pro vnějšího pozorovatele tedy de facto černá díra jakoby neexistovala, protože ještě nevznikla, její kolaps nebyl pro vnějšího pozorovatele dokončen. Avšak její existence se stejně navenek projevuje - díky všudypřítomné a vším pronikající gravitaci.

Dalším důsledkem gravitačního zpomalení času je ten fakt (jak jsme si už řekli v třetím díle), že fotony, které jsou vysílány z oblasti těsně nad horizontem událostí, dorazí ke vzdálenému pozorovateli do místa s nižší gravitační silou s mnohem nižší frekvencí, tedy s mnohem delší vlnovou délkou. Hypotetický foton, který by k němu dorazil přímo z horizontu událostí, by měl frekvenci i energii nulovou, tedy by vlastně neexistoval.

Události pod horizontem událostí se tedy nacházejí nejen mimo náš prostor (nemůžeme si s nimi vyměňovat signály, dokonce vůbec není možné je z okolního vesmíru pozorovat), ale také z našeho hlediska i v nekonečně vzdálené budoucnosti, tedy vlastně "mimo náš čas"

Neviditelné natažené tělo

Padající pozorovatel by si během svého pádu všiml, že světlo (elektromagnetické vlnění) přicházející od jeho chodidel, potom od kolen atd. podléhá zvětšujícímu se rudému posuvu. Jinými slovy postupně červená až se přesunuje do okem neviditelných pásem (např. do pásma radiových vln), až se zbytek jeho těla stane pro jeho oči neviditelným.

Když se přiblíží k singularitě, rozdíl v intenzitě gravitačního pole (to jsou ony slapové síly) se v rámci prostorového rozmezí od jeho hlavy k chodidlům značně zvětší. Pozorovatel bude natažen jako nudle směrem ke středu černé díry (tzv. špagetizace) a nakonec ho tyto slapové síly roztrhnou, protože na jeho chodidla bude působit mnohem větší gravitace než na jeho hlavu. Blízko singularity se tento prostorový rozdíl mezi silami nakonec stane dostatečně velkým i pro roztržení samotných atomů.

Bod, ve kterém se slapové síly stávají nebezpečnými, však závisí na hmotnosti černé díry. Pro velké černé díry, např. ty supermasivní v centrech galaxií, bude tento kritický bod ležet až pod horizontem událostí, takže se astronaut může teoreticky dostat pod horizont událostí živý a v případech obřích černých děr tento přechod nemusí dokonce ani příliš pocítit. Naopak u malých černých děr se dotyčné slapové síly mohou stát pro padajícího pozorovatele osudnými mnohem dříve, než dosáhne horizontu událostí.

Co fyzikové míní metaforickou větou, že černé díry nemají vlasy?

Jak jsme si právě vysvětlili, vnější pozorovatel nemá šanci přímo pozorovat nic z toho, co se děje nebo dělo pod horizontem černé díry. Vnitřek černé díry je od vnějšího vesmíru zcela odtržen jak v prostoru, tak i v čase.

Podle nekvantové Einsteinovy teorie gravitace však neexistují ani nepřímé způsoby, jak by šlo zvenčí přesně zjistit, co se v černé díře odehrálo, nebo jakým způsobem a z jakého individuálního typu hmoty nebo objektů černá díra vznikla. Existují vlastně jen 3 nezávislé parametry, kterými se černé díry (navenek) od sebe odlišují:

1) Celková hmotnost. Tato hmotnost určuje poloměr koule zvané horizont událostí. Čím hmotnější je černá díra, tím větší je poloměr tohoto horizontu a tím větší je také okolní oblast, kterou černá díra ovlivňuje. Jinak je úplně jedno, z jakého typu částic, záření nebo objektů černá díra vznikla. Její gravitační vliv navenek je dán především celkovou hmotností.

2) Velikost momentu hybnosti. Moment hybnosti je základní fyzikální mechanická veličina, která charakterizuje míru, jak rychle a jaké množství hmoty rotuje kolem nějaké osy rotace (jde o analogii veličiny zvané hybnost při přímém nerotačním pohybu). Během kolapsu hmoty do černé díry se celkové množství jejího momentu hybnosti zachovává, stejně jako když krasobruslařka při piruetě přitahuje ruce k tělu a tím zrychluje svoji rotaci.

Nenulový moment hybnosti dává vznik rotující černé díře, jejíž projevy navenek se liší celkem podstatně od černé díry nerotující. Rotující černá díra totiž strhává prostor kolem sebe ve směru, který souhlasí se směrem její rotace, a vytyčuje v prostoru kolem sebe významný směr, shodný s osou její rotace. Také některé její další vlastnosti jsou specifické a odlišné od nerotující, zcela sféricky symetrické černé díry.

3) Elektrický náboj. Pokud má kolabující hmota nenulový elektrický náboj, i to má vliv na síly v okolí výsledné černé díry.

Kromě těchto tří čísel neexistují žádná další datová či informační specifika černých děr, kterými by se černé díry od sebe lišily navenek. Tuto vlastnost kdysi fyzikové John Wheeler a Jacob Bekenstein metaforicky popsali větou "Černé díry nemají žádné vlasy", resp. "Černé díry za sebou nenechávají navenek žádné vlasy".

Tato vlastnost černých děr zároveň znamená, že černé díry pohlcují, likvidují či možná vězní obrovské množství informací, obsažených v původní různorodé hmotě a izolují ho od okolního světa. Tento faktor vede mj. k tzv. informačnímu paradoxu černých děr. Co se v nitru černých děr děje s tak obrovským množstvím "ztracených" informací, vědci dodnes s jistotou nevědí.

Příští díl se bude věnovat vnitřní struktuře odlišných základních typů černých děr, které jsou spojeny s jejich právě zmíněnými třemi základními parametry. A řekneme si také, co znamenají tzv. singularity, nacházející se uvnitř horizontu událostí černých děr. A jak je možné, že si někdy pod horizontem událostí černé díry dokonce v jistém smyslu prostor a čas jakoby "prohodí místa".