Oko do vesmíru

Vesmír je nekonečný a je v něm nekonečně mnoho zajímavých věcí...

Zánik

Černé díry

Hvězdy zakončují svůj život hned několika způsoby od mohutných výbuchů supernov, v pozvolném vychladnutí, přeměnou v bílé trpaslíky, ale také přeměnou na nenasytná monstra, jenž požírají veškerou hmotu ve svém okolí. Monstra, která nejsou běžně viditelná a změřitelná. Monstra, která dokáží poškozovat i časoprostor a která nesou název černé díry.

V minulém století vydal Albert Einstein svou obecnou teorii relativity, ve které se mimo jiné zaobíral i myšlenkou gravitačního hroucení velmi hmotných objektů (veřejnosti známých jako černé díry). Tato teorie se zabývá řešením otázky, jaké vlastnosti má těleso, jenž podléhá pouze svojí gravitaci (ostatní síly v něm nehrají žádnou roli). Tuto úlohu řešili fyzikové již na konci 18. století, ale pokrok přineslo až zformulování obecné teorie relativity, na čemž měl hlavní zásluhy německý astrofyzik Karel Schwerzschild, jenž roku 1916 uveřejnil řešení Einsteinových rovnic pro nejjednodušší příklad, pro kulově souměrné nerotující těleso (hvězdu). Tento výpočet započal éru zkoumaní černých děr. Dalším mezníkem pak bylo vyřešení rovnic pro rotující těleso novozélandským fyzikem Royem Kerrem. Ohromný kus práce odvedli také Roger Penrose a Stephan Hawking (zaobírali se kvantovou mechanikou, kterou aplikovali na černé díry, objevili tak velice zajímavé informace o životě černých děr) a také Američan John Wheeler, který jako první zavedl pojem "černá díra" (black hole) v roce 1968. Wheeler se pokusil názvem poukázat na dvě nejdůležitější vlastnosti černých děr a to na první, že díra je naprosto černá, nevyzařuje žádné zachytitelné částice v oboru elektromagnetického spektra (což ale podle nejnovějších objevů není zcela pravda, viz. ale níže) a na druhý fakt, že černá díra je tak trochu otesánek, který spořádá naprosto všechno bez toho, aby se někdy nasytil (v našem případě, aby byla černá díra zaplněná). Zdá se tedy, že černé díry jsou monstra přímo vystřižená ze sci-fi. Ve skutečnosti tomu ale tak není...

 

Ve skutečnosti jsou černé díry fyzikálně nejjednoduššími myslitelnými předměty (i když pro laika je tato pravda jen těžko uvěřitelná). Lze je totiž popsat jen třemi veličinami, a to hmotnosti (M), momentem hybnosti (H) a elektrickým nábojem (E). V praxi se však jen těžko setkáme s elektricky nabitými černými děrami, což náš výklad ještě více zjednodušuje. Hmotnost černé díry je důležitá pro výpočet poloměru , pod nímž již není úniku z mocných pout gravitace černé díry. tento poloměr je nejzaší mez, odkud může ještě těleso uniknout (neunikne ani nejrychlejší částice foton, která se pohybuje rychlostí světla). Tato nejzaší mez, se nazývá horizont událostí či Schwarzschildův poloměr (odborně se dá definovat tak, že je to oblast, kde se úniková rychlost z černé díry rovná rychlosti světla).
S existencí černých děr vyvstává mnoho zajímavostí, o kterých se nyní zmíníme. Prvně je to fakt, že pro vznik černé díry musí být splněna jedna podmínka a to ta, že umírající hvězda musí mít hmotnost větší než 3 Slunce, ale že neexistuje žádná horní hranice pro velikost (hmotnost) černé díry. Čistě teoreticky by se tak mohlo stát, že by celý vesmír mohla pohltit jediná ohromná černá díra (závěrečná singularita známá pod názvem Velký krach). Další zajímavostí je to, že padá-li těleso k černé díře volným pádem, záleží na popis volného pádu na tom, zda se pozorovatel pohybuje s padajícím tělesem, či se na pád jen dívá z bezpečného místa. V prvním případě totiž pozorovatel uvidí, (neuvidí, jelikož není možné, aby přežil pád do černé díry, slapové jevy by jeho tělo rozervaly na kusy) že se pád zkušebního tělíska neustále vůči okolnímu vesmíru zrychluje až do doby, kdy překoná horizont událostí, v té době ztrácí možnost jakkoliv ovlivňovat okolní vesmír (pozorovatel na úrovni horizontu událostí by tak mohl pozorovat zrychleně budoucnost vesmíru). Zato vnějšímu pozorovateli se naskytne naprosto odlišný pohled, uvidí, kterak tělísko padá až k horizontu událostí přičemž se neustále jeho rychlost zpomaluje, až na hranici horizontu se tělísko zdánlivě zastaví, přičemž se bude měnit jeho barva v oboru vysílaného záření od fialové přes zelenou až k červené, dále pak do pásma infračerveného a nakonec rádiového záření se stále rostoucí vlnovou délkou.
Další zajímavý stav nastává za situace, že černá díra rotuje kolem své osy. Kolem jejího rovníku se tak vytváří pomyslná přechodová oblast zvaná ergosféra, jež se pouze na pólech rotace přimyká k horizontu událostí. Částice vlétávající do ergosféry mají možnost se v ní rozpadnout na dvě stejné částice, kdy jedna částice spadne zpět do černé díry a druhé se podaří z ní utéct (jedno těleso se rozpadne na dvě stejná tělesa, aniž by došlo k poklesu její hmotnosti). Unikající částice bude mít ke všemu vyšší energii, než měla původní částice! Přidanou energii získá částice z rotační energie černé díry. Nakonec dojde tedy k tomu, že po mnoha takových procesech se rotace černé díry zastaví a ergosféra zanikne. (Vědci optimisti věří, že zde je cesta člověka ke konečnému vyřešení energetické krize. Cestu vidí ve výstavbě elektráren okolo černých děr, které by "ostřelovaly" tyto monstra částicemi, jenž by dolovaly jejich energii. Energie takto uvolněná by byla obrovská, jelikož by šlo získat až 29% energie maxima, což je oproti 0,7% účinnosti u termonukleárních reakcí mnohem lepší.

Až do teďka jsme se zaobírali černými dírami z pohledu klasické fyziky (z pohledu obecné teorie relativity), pojďme se však nyní podívat na černé díry z jiného pohledu současné fyziky a to z pohledu kvantové mechaniky, která se zaobírá pravděpodobností (klasický fyzik prohlásí, že zítra vyjde Slunce, kvantový mechanik ale řekne, že je pravděpodobné, že zítra vyjde Slunce - připustí tak možnost, že zítra slunce vyjít nemusí). Otázkami okolo kvantové mechaniky se zaobíral britský teoretický fyzik Stephen Hawking, který popsal chování částic na povrchu černé díry právě z pohledu kvantové mechaniky. Je poměrně známo, že částice v mikrokosmu se chovají jinak, než částice v makrokosmu (v mikrokosmu je na základě kvantové mechaniky možné, aby byla jedna částice na dvou místech najednou, aby jedna částice prošla dvěma otvory, či aby prošla neproniknutelnou látkou, což objekty v makrokosmu nedokáží). Hawking zjistil, že ač je v klasické relativitě zcela zakázáno, aby se nějaká částice dostala z černé díry ven do vnějšího okolí (za horizont událostí), v kvantové teorii černých děr je takový jev možný (i když má malou pravděpodobnost. Tato pravděpodobnost vzrůstá s křivostí povrchu Schwarzschildovy koule, platí tedy, že čím menší je černá díra, tím je pravděpodobnost úniku částice větší). Když se však podaří nějaké částici uniknout z černé díry, odnáší si sebou i nějakou hmotnost, což má za následek "zhubnutí" černé díry, což má za následek opětovné zmenšení černé díry a zvětšení křivosti Schwarzschildovy koule, čímž se zvýší pravděpodobnost, že další částice unikne atd. Ve své finální podobě to má za následek to, že se celá černá díra vypaří do okolního vesmíru!

Toto zjištění na poli kvantové mechaniky znamená, že žádná černá díra netrvá věčně a že se vypařuje (kdy vypařování má zrychlující se tendenci). Životnost ale hmotných děr je i přes to velice dlouhá (odhaduje se na 1067 let. To je nepředstavitelné číslo, proti kterému je věk vesmíru (okolo 10-20 miliard let) jen malý časový interval.

Černé díry se také nacházejí nejspíše v centrech galaxií, kde svojí obrovskou gravitací udržují galaxie pohromadě. Oproti hvězdným černým dírám jsou mnohokrát hmotnější a odborníci o nich mluví jako o supermasivních černých dírách. Na druhou stranu se očekává i existence miniděr, které ale nemůžou vznikat "normální cestou, vznikly nejspíše při Velkém třesku.

Jistě Vás napadla otázka, kterak můžeme vědět o existenci černých děr, když se nedají pozorovat pro svojí absolutní černotu. Jak již bývá zvykem astronomové si pomáhají pomocí různých triků. V tomto případě se existence černých děr dokazuje pomocí ohybu světla. V okolí černé díry je gravitace natolik silná, že dokáže ohnout i světlo, které pak nedopadá pod tím "správným úhlem" než by mělo. Dalším pomocníkem může být případ, kdy je černá díra vázána v soustavě více hvězd (například ve dvojhvězdě). Astronomové pak můžou pozorovat, kterak je jedna hvězda "požírána" druhou hvězdou, která není vidět! A na závěr jedna perlička. Podle teoretických výpočtů není černá díra tak docela černá, jelikož na základě kvantových principů dochází k tomu, že se černá díra zahřívá a vydává tak elektromagnetické vlnění v oboru infračerveného záření. Dalo by se tedy říci, že černá díra žhne na chladném pozadí ( i když je rozdíl teplot díry a okolí nepatrný. Pohybuje se řádově v tisícinách stupně kelvina).

Někteří odborníci řeší otázku, kam se poděje hmota černou dírou nasátá. Nevěří, že tato hmota je nenávratně ztracena (opominemeli kvantové odpařování černých děr), ale že se musí zase někde objevit. Objevili se tedy teorie o pravých opacích černých děr a to o takzvaných "bílých dírách". Místech ve vesmíru, kde je hmota "vypouštěna" do okolního prostoru. Mělo by se teoreticky jednat o hmotu, kterou nasály černé díry v jiných částech vesmíru a kterou nyní bílé díry znovu vracejí do vesmíru. Zatím se je nepodařilo nijak prokázat ani pozorovat a tak se jedná jen o teoretické objekty, které možná existují někde v kosmu.

V okolí černé díry dochází ke vznikům deformací samotného časoprostoru, které má za následek paradoxy s pozorovatelem a padajícím tělesem. V okolí černé díry dochází k urychlování běhu času. Pro představu, jak asi vypadá porucha časoprostoru. Náš celý vesmír si představte jako nekonečný ubrus, napnutý vertikálně na několika tyčích. Na nějakém místě na něj vhoďte železnou kuličku, zajisté víte k čemu dojde, ubrus se v tomto místě prohne (vznikne "prohlubeň"), což znázorňuje zakřivení (deformaci) časoprostoru. Z této jednoduché myšlenky je již krůček k tomu, aby jsme si tedy uvědomili, že jakýkoliv hmotný objekt svým nepatrným dílem zakřivuje časoprostor, který tedy není nikde ideálně rovný...

A na závěr zklamání pro mnohé spisovatele sci-fi. Podle Stephana Hawkinga není možné využívat existující černé díry pro dopravu ve vesmíru, jelikož by cestovatel byl rozerván ohromnými slapovými jevy, které jsou okolo každé černé díry. Jako druhé mínus musíme brát v potaz to, že by cestovatel nemohl určit místo, kde se vynoří (za předpokladu, že existují bílé díry). Více nadějí bychom tedy měli vkládat do tzv. červých děr (což, jsou zatím hypotetické útvary, které propojují dvě místa ve vesmíru pomocí vytvořeného hyperprostorového tunelu. Podle nejnovějších objevů na poli fyziky bude možná tento způsob dopravy jednoho dne realizovatelný. PS: Na tomto principu funguje i Hvězdná brána ve stejnojmeném seriálu).

Žádné komentáře
 
Těším se na další návštěvu... ;-)