Jak víme, že černé díry skutečně existují? Máme důkazy

29/09/2022 Tomáš Pokorný 7 min read 287 Zobrazení Albert Einstein, černá díra, důkazy, Galaxie, teorie relativity, vesmír

Technologie Vesmír Všechny články Zajímavosti

Ze všech vzdálených konceptů v astronomii mohou být černé díry nejpodivnější. Oblast vesmíru, kde je hmota stlačena tak pevně, že nic, ani samotné světlo, nemůže uniknout, představují tato temná monstra docela děsivou vyhlídku. Vzhledem k tomu, že se v nich hroutí všechna normální fyzikální pravidla, je lákavé zavrhnout černé díry jako sci-fi. Přesto existuje spousta důkazů – přímých i nepřímých – že ve vesmíru skutečně existují, napsal Live Science.

Einsteinova „robustní předpověď“

Jako teoretickou možnost černé díry předpověděl v roce 1916 Karl Schwarzschild, který je shledal jako nevyhnutelný důsledek Einsteinovy obecné teorie relativity. Jinými slovy, pokud je Einsteinova teorie správná – a všechny důkazy tomu naznačují – pak černé díry musí existovat. Následně je postavili na ještě pevnější půdu Roger Penrose a Stephen Hawkung, kteří podle univerzity v Cambridgi ukázali, že jakýkoli objekt, který se zhroutí do černé díry, vytvoří singularitu, kde se zhroutí tradiční fyzikální zákony. To se stalo tak široce akceptovaným, že Penrose získal podíl na Nobelově ceně za fyziku v roce 2020 „za objev, že tvorba černých děr je robustní předpověď obecné teorie relativity.“

Záblesky gama

Podle NASA se ve 30. letech 20. století indický astrofyzik Subramanian Chandrasekhar podíval na to, co se stane s hvězdou, když spotřebuje veškeré své jaderné palivo. Zjistil, že konečný výsledek, závisí na hmotnosti hvězdy. Pokud je tato hvězda opravdu velká, řekněme 20x hmotnost Slunce, pak její husté jádro, které samo může být třikrát nebo vícekrát větší než hmotnost Slunce, se podle NASA zhroutí až do černé díry. Poslední kolaps jádra se děje neuvěřitelně rychle, během několika sekund, a uvolňuje obrovské množství energie ve formě gama záblesku. Tento výbuch může vyslat do vesmíru tolik energie, kolik obyčejná hvězda vyzařuje za celý svůj život. A teleskopy na Zemi zachytily mnoho z těchto výbuchů, z nichž některé pocházejí z galaxií vzdálených miliardy světelných let, takže můžeme skutečně vidět, jak se rodí černé díry.

Gravitační vlny

*Umělcův dojem gravitačních vln. Černé díry, které se navzájem obíhají, vytvářejí v časoprostoru vlnky, které se šíří směrem ven jako gravitační vlny.*

Černé díry neexistují vždy izolovaně, někdy se vyskytují ve dvojicích a obíhají kolem sebe. Když se tak stane, gravitační interakce mezi nimi vytvoří vlnění v časoprostoru, které se šíří směrem ven jako gravitační vlny – další předpověď Einsteinovy teorie relativity. S observatořemi, jako je Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory a Virgo, jsme nyní schopni tyto vlny detekovat. První objev, zahrnující spojení dvou černých děr, byl oznámen již v roce 2016 a od té doby bylo učiněno mnoho dalších. Se zlepšující se citlivostí detektoru jsou kromě slučování černých děr zjišťovány i další vlny generující události – jako je srážka mezi černou dírou a neutronovou hvězdou, která se odehrála daleko za naší vlastní galaxií ve vzdálenosti 650 milionů až 1,5 miliardy světelných let od Země, uvedla Live Science.

Neviditelný společník

*Obraz ukazuje oběžné dráhy objektů v trojitém systému HR 6819.*

Krátkodobé události s vysokou energií, které produkují záblesky gama a gravitační vlny, mohou být viditelné v polovině pozorovatelného vesmíru, ale po většinu svého života budou černé díry ze své podstaty téměř nedetekovatelné. Skutečnost, že nevyzařují žádné světlo ani jiné záření, znamená, že by se mohly skrývat v našem kosmickém sousedství, aniž by si toho astronomové uvědomovali. Existuje však jeden spolehlivý způsob, jak odhalit, a to prostřednictvím jejich gravitačních účinků na jiné hvězdy. Při pozorování obyčejně vyhlížejícího binárního systému nebo dvojice obíhajících hvězd, známé jako HR 6819 v roce 2020, si astronomové všimli zvláštností v pohybu dvou viditelných hvězd, které by bylo možné vysvětlit pouze tehdy, pokud tam byl třetí, zcela neviditelný objekt. Když zjistili jeho hmotnost – nejméně čtyřikrát větší než Slunce – vědci věděli, že zbývá pouze jediná možnost. Musela to být černá díra – dosud nejblíže objevená k Zemi, pouhých tisíc světelných let daleko uvnitř naší vlastní galaxie.

Rentgenové vidění

*Černá díra Cygnus X-1 stahuje materiál z masivní modré doprovodné hvězdy.*

První pozorovací důkaz černé díry se objevil v roce 1971 a také pocházel z binárního hvězdného systému v naší vlastní galaxii. Systém nazvaný Cygnus X-1 produkuje některé z nejjasnějších rentgenových paprsků vesmíru. Ty nevycházejí ze samotné černé díry ani z její viditelné doprovodné hvězdy – která je podle NASA obrovská, 33krát větší než naše Slunce. Spíše je hmota neustále odstraňována z obří hvězdy a vtahována do akrečního disku kolem černé díry, a právě z tohoto akrečního disku je podle NASA vyzařováno rentgenové záření. Stejně jako u HR 6819 mohou astronomové použít pozorovaný pohyb hvězd k odhadu hmotnosti neviditelného objektu v Cygnus X-1. Nejnovější výpočty stanovily, že temný objekt má 21 hmotností Slunce soustředěných do tak malého prostoru, že to nemůže být nic jiného než černá díra.

Supermasivní černé díry

*Ve středu naší galaxie je supermasivní černá díra v oblasti známé jako Sagittarius A.*

Kromě černých děr, které vznikly kolapsem hvězd, důkazy naznačují, že supermasivní černé díry, každá o hmotnosti miliónů nebo dokonce miliard slunečních hmot, číhají v centrech galaxií od počátku historie vesmíru, uvedla Live Science. V případě takzvaných aktivních galaxií jsou důkazy pro tyto těžké váhy velkolepé. Podle NASA jsou centrální černé díry v těchto galaxiích obklopeny akrečními disky, které produkují intenzivní záření na všech vlnových délkách světla. Máme také důkazy, že naše vlastní galaxie má ve svém středu černou díru. Je to proto, že vidíme hvězdy v této oblasti svištět kolem tak rychle – až 8% rychlosti světla – že musí obíhajít něco extrémně malého a masivního. Současné odhady uvádějí centrální černou díru Mléčné dráhy někde kolem 4 milionů hmotností Slunce.

Špagetování

Dalším důkazem o existenci černých děr je… špagetizace. Možná se divíte, co je to špagetizace? To se stane, když spadnete do černé díry, a to je docela samovysvětlující. Extrémní gravitační silou černé díry se roztáhnete na tenká vlákna. Naštěstí se to vám nebo někomu, koho znáte, pravděpodobně nestane, ale může to být osud hvězdy, která se zatoulá dostala příliš blízko k supermasivní černé díře, uvedla Live Science. V říjnu 2020 byli astronomové svědky tohoto rozpadu – nebo alespoň viděli záblesk světla z nešťastné hvězdy, když byla roztrhána na kusy. Naštěstí ke špagetování nedošlo nikde poblíž Země, ale v galaxii vzdálené 215 milionů světelných let.

A konečně — přímý obraz

Doposud jsme měli spoustu přesvědčivých nepřímých důkazů o černých dírách: výbuchy záření, gravitační vlny nebo dynamické efekty na jiná tělesa, které nemohly být vytvořeny žádným jiným objektem známým vědě. Ale konečný úspěch přišel v dubnu 2019 v podobě přímého snímku supermasivní černé díry v centru aktivní galaxie Messier 87. Tato úžasná fotografie byla pořízena dalekohledem Event Horizon Telescope – trochu zavádějící název, protože se skládá z velké sítě dalekohledů roztroušených po celém světě, nikoli z jediného přístroje. Podle NASA platí, že čím více dalekohledů se může zúčastnit a čím větší jsou jejich rozmístění, tím lepší je výsledná kvalita obrazu. Výsledek jasně ukazuje tmavý stín černé díry o hmotnosti 6,5 miliardy sluneční hmoty proti oranžové záři jejího okolního akrečního disku.

Zdroj: Livescience