Katedra fyziky FPV UKF v Nitre

Predstava umelca o okolí super masívnej čiernej diery v srdci aktívnej galaxie NGC 3783 v južnom súhviezdí Centaurus.

Uznanie: ESO/M. Kommesser

Čierne diery nemajú vlasy

    Čierna diera. Niečo úžasne čisté, jednoduché - aspoň podľa Roy-a Kerra, jedného z popredných expertov na čierne diery, ktorému sa podarilo nájsť jedno z exaktných riešení Einsteinových rovníc pre gravitáciu.
    Správne by sme mali začať tým, že čo vlastne tie čierne diery sú. Problém je v tom, že čím o tom vieme viac, tým menej si to vieme predstaviť. Musíme na to pozvoľna.
    V roku 1915 Albert Einstein predstavil svoju vlastnú teóriu o gravitácii. Vznikla z určitej predstavy, ako by gravitácia mala fungovať, a hneď predpovedal trojicu javov, ktoré si nikto neobjednal (napr. ohýbanie svetelných lúčov gravitáciou). Jeho rovnice gravitácie však boli všetko, len nie jednoduché na riešenie - Einstein si údajne povzdychol, že "Aká škoda, že sa nikdy nevyriešia". Ani nie o rok neskôr sa zrodilo prvé exaktné riešenie od nemeckého fyzika Karla Schwarzschilda (vyslovuj 'švarčild'), ktorý ešte v tom istom roku, 11-ho mája 1916, zomrel na autoimunnú nemoc, ktorá sa u neho rozvinula na ruskej fronte.

    A hneď ono prvé riešenie, ktoré Schwarzschild našiel bolo tým, čo si dnes predstavujeme pod čiernou dierou.

Predstava rotujúcej čiernej diery, ktorá ohýba svetlo, ktoré sa nachádza z ňou. Svojou rotáciou ťahá celý priestor, nie len objekty, ktoré sa nachádzajú v priestore. Ťahanie priestoru využili autori Startreku ako nástroj na cestovanie nadsvetelnou rýchlosťou (warp pohon).
Uznanie: iStockphoto

Supermasivna čierna diera v Mliečnej dráhe

Okolie Supermasívnej čiernej diery je veľmi rušné. Obieha tu v priestore sotva 100 krát väčšom, než naša slnečná sústava celý tucet hviezd a majú naponáhlo, aby dokázali odolať príťažlivosti supermasívnej čiernej diery s hmotnosťou 4,1 miliónov hmotností Slnka. Niečo tak masívne v tak malom priestore už nemôže byť bežná hviezda.
Animácia pohybu hviezd od roku 2002 do roku 2043. Astronómovia budú môcť pozorovať (pomocou VLT - Very Large Telescope) niečo mimoriadne. V blízkosti čiernej diery preletí rozmazaný plynové mračno s hmotnosťou väčšou než je Zem. Očakáva sa, že blízke priblíženie k čiernej diere mračno roztrhá, ako ukazuje aj animácia.
Uznanie: ESO

Čierna diera sa málokedy nachádza v čistom vákuu. V jeho okolí sa stále niečo pohybuje a je vťahované do čiernej diery. Počas vťahovania sú plyny stláčané, zohrejú sa. Tiež nepadajú do čiernej diery priamo, ale krúživým pohybom vytvárajúc tzv. akreačný disk. To, čo vidíme na obrázku je supermasívna čierna diera s jeho akreačným diskom, ako to bolo spočítané podľa Einsteinovej teórie pre film Interstellar. Kliknutím na obrázok môžete pozrieť v lepšej kvalite.
Uznanie: Tvorcom filmu Interstellar a ich vedeckým poradcom

Čierne diery nemajú vlasy

To, čo si predstavujeme pod čiernou dierou, je pozostatok hviezdy, ktorá vybuchla. Pri výbuchu sa stlačila hmota v srdci hviezdy tak mohutne, stala sa tak nesmierne hustou, že gravitácia prevzala taktovku nad všetkým. Nad priestorom aj časom. Pre ilustráciu. Keby sme Zem (s pevninami, morami a oceánmi a so všetkým čo je pod povrchom) stlačili na veľkosť pingpongovej loptičky (s priemerom 18 milimetrov), stala by sa čiernou dierou. Vyzerala by ako diera na pozadí hviezd (veľkosti pingpongovej loptičky). Gravitácia by nedovolila uniknúť ani svetlu, preto by bola dokonale čierna. Čokoľvek by sme do nej hodili, stratili by sme navždy. Nikdy by sme nedostali naspäť. Keby sme do nej nahádzali ešte raz toľko hmoty (ďalšiu planétu s hmotnosťou Zeme), zväčšila by sa na dvojnásobok (polomer 36 mm).
    Pomenovanie čierna diera (pochádzajúca od Archibalda Wheelera jedného z posledných asistentov Alberta Einsteina), bola zvolená veľmi príhodne. Je to čierne a pohltí všetko, čo do nej spadne. Chová sa ako nejaká diera bezo dna.

    Čierna diera je ale objekt ako každý iný - v určitom zmysle. Pohybuje sa ako každé iné teleso vo vesmíre - podľa zákonov mechaniky. Ak na ňu pôsobíte silou, začne zrýchľovať (nestrkajte do čiernej diery prstami!). Ak by sme zo Zeme urobili čiernu dieru (guľôčka s priemerom 18 mm), obiehala by okolo Slnka tak, ako obieha Zem (jeden obeh za 365,2422 dní). Ba dokonca, aj Mesiac by obiehal okolo tejto "pingpongovej loptičky" ako doteraz - v tej istej vzdialenosti, a vykonala by jeden obeh za tú istú dobu ako doteraz (privracajúc stále tú istú stranu k čiernej diere, ako teraz privracia stále tú istú stranu k Zemi).
    Gravitačná sila tejto našej čiernej diery by bola nesmierna. Čo to ale znamená vo svetle toho, čo sme povedali pred chvíľou? V bezprostrednej blízkosti (vzdialenosť 18 mm) by bola nesmierna. Ale táto gravitačná sila slabne so vzdialenosťou a vo vzdialenosti 6378 km (polomer Zeme) by bola presne taká, aká je gravitácia Zeme (postaviac sa na váhy by sme vážili presne toľko, ako teraz, keď sa postavíme na váhy). To už nevyzerá tak desivo, aj keď nemôžeme poprieť, že od objektu veľkosti "pingpongovej" loptičky je to úctyhodný výkon. Pravda, zo vzdialenosti 6378 km by sme čiernu dieru s priemerom 18 mm nezahliadli. Mesiac obiehajúci okolo by vyzeral mierne groteskne.

    Práve takéto obiehanie hviezd okolo "ničoho" prezradilo, že v našej vlastnej galaxii máme čiernu dieru, a nie ledajakú. Supermasívnu. Jej hmotnosť sa odhaduje na 4,1 miliónov hmotností Slnka. Je v súhvezdí Sagitarius A*, 26 tisíc svetelných rokov od nás. Zo Slnka by bola čierna diera s priemerom 6 km, priemer našej supermasívnej čiernej diery by teda bola 4,1 milióna krát väčší (24,6 milióna kilometrov - vzdialenosť Merkúra, planéty nachádzajúcej sa najbližšie k Slnku, je v jej najbližšom bode 46 miliónov kilometrov).     Ale nie je to dierou, skôr skartovačkou. Aspoň taká bola predstava Roy-a Kerra, ktorý ukázal, či skôr bol presvedčený o pravdivosti toho, že čierne diery zničia informáciu, ktorú pohltia. Informácia, ktorú pohltí sa stane pre zvyšok vesmíru už nedostupná.
    Čierne diery uchovajú len tri informácie, podľa Kerra: hmotnosť, moment hybnosti a elektrický náboj. Hmotnosť hovorí o tom, koľko hmoty pohltila čierna diera. Moment hybnosti zase ako moc sa točila hmota, ktorú pohltila. Elektrický náboj je sumárny elektrický náboj -- ak čiernu dieru budeme kŕmiť len elektrónmi, bude okolo neho vznikať silné elektrické pole, ktoré bude brániť "hádzaniu" ďalších elektrónov do čiernej diery, na druhú stranu budú priťahovať kladne nabité častice. (Tie nakoniec viac-menej neutralizujú záporný náboj čiernej diery.)
    Inými slovami, ak máme dve čierne diery, ktorých hmotnosť, moment hybnosti a elektrický náboj je rovnaký, tak sa jedna od druhej vôbec nelíšia ničím - je jedno, z čoho sme čiernu dieru vytvorili (či z vodíkových mračien, diamantových prsteňov, alebo z učebníc fyziky).
    Tomu sa hovorilo (Wheeler): čierne diery nemajú vlasy, alebo že čierne diery majú len tri vlasy.
    Ako plynul čas, zdalo sa, že čiernym dieram začíname rozumieť čím ďalej tým viac. Pravda, všetko, čo sme vedeli bolo zistené skúmaním vlastností riešení matematických rovníc (zvláštna to obľuba teoretických fyzikov). Zistilo sa, že to, čo sme si v prípade Zeme predstavovali ako "pingpongovú" loptičku s priemerom 18 milimetrov, si nemáme predstavovať, ako teleso s čiernym povrchom. Ten "povrch" je vlastne skôr hranicou, hranicou jednosmernej cesty: "odtiaľto už niet cesty späť". Preto sa nazýva horizontom udalosti (dôraz je teraz na slove horizont).
    Keby sme do čiernej diery (dostatočne veľkej, aby nás to "nemačkalo", keď prekročíme horizont udalosti) skočili, na horizonte udalosti by sme do ničoho nenarazili. A podivností sa zistilo viac. Pre pozorovateľa, ktorý by sa prizeral nášmu pokusu, by sa zdalo, že čas na horizonte udalosti zamrzol (náš pohyb by sa zastavil a on by sa nedožil toho, aby sme prekročili horizont udalosti). Podivností bolo zistených viac a viac, ale vytvárali pochopiteľný, aj keď divotvorný svet.
Veci sa ale mali zmeniť - a mohla za to kvantovanosť sveta.

A predsa majú!

    V roku 1973 Zeľdovič a Starobinsky poukázali na to, že rotujúca čierna diera musí generovať žiarenie. Energia žiarenia musí byť krytá energiou čiernej diery. Po diskusii so Zeľdovičom a Starobinským v Moskve, Steven Hawking (nositeľ Nobelovej ceny za fyziku) dospel k poznaniu, že čierne diery (podľa kvantovej teórie) nebudú až také čierne. V roku 1974 publikoval svoju prevratnú prácu o vyparovaní sa čiernych dier. Z čiernych dier sa síce nič nedostane von, ale predstavujú mimoriadne vysokú koncentráciu energie. Tak, ako pri zrážke dvoch veľmi energetických častíc v urýchľovači vznikajú ďalšie a ďalšie častice (v pároch častica-antičastica) vstrebávajúc energiu zrážky, vznikajú v blízkosti horizontu udalosti čiernej diery častice a antičastice. Tomu hovoríme Hawkingovo žiarenie. Deje sa to na úkor energie čiernej diery, znižujúc tým hmotnosť čiernej diery. Je to vyslovene, akoby sa čierna diera odparovala - čím je menšia, tým rýchlejšie.

A to bol len začiatok.

Od roku 2010 sa udalosti urýchlili. Čierne diery síce nevieme urobiť, ale Hawkingom predstavený mechanizmus sa ukázal ako skutočný v iných fyzikálnych procesoch.
    Pokusy spojiť Einsteinovu gravitáciu s kvantovou teóriou, začali prinášať svoje prvé plody. Nie všetkému sa ale rozumie. Bol objavený efekt gravitačného "Firewall"-u.
    Spomínané žiarenie z veľkej vzdialenosti moc nevidíme, je veľmi málo intenzívne, ale výpočty napovedali (stále vieme len počítať), že keby sme do čiernej diery skočili, tak na horizonte udalosti by sme vyslovene zhoreli na prach v žiarení, ktoré generuje čierna diera. Pre vzdialeného pozorovateľa čas na horizonte udalosti "zamrzne" ale pre voľne padajúceho pozorovateľa nie. Žiarenie, slabunké pre vzdialeného pozorovateľa, je na horizonte udalosti pre voľne padajúceho zničujúce (pre neho sa čas nespomalí, ale naopak, dianie v okolitom vesmíre sa zrýchli).
    V roku 2013 sa však situácia zase zmenila, keď započítaním ďalších efektov sa spochybnila existencia "Firewall"-u. Kvantové prepojenie (quantum entanglement - ďalšie slovo do slovníčku) má spájať častice na oddelených stranách horizontu udalosti.
Steven Hawking vyjadril vo svojom blogu 22-ho januára 2014, že pochybuje o existencii horizontu udalosti. Doslovne poprel existenciu horizontu udalosti. Za všetko môže kvantová mechanika
    Nedávno, 17-ho marca, boli publikované výsledky detailných výpočtov, ktoré vyvracajú tvrdenie, že čierne diery skartujú informácie. Informácie, ktoré sú pohltené čiernou dierou, sa nestratia, ale vplývajú na žiarenie čiernej diery. Iluzórne povedané, obsah vášho dopisu, ktorý hodíte do čiernej diery, zmení vyžarovanie čiernej diery, a snaživý experimentátor môže zistiť, čože v tom dopise bolo napísané.

    Zistíme vôbec niekedy, ako to je s čiernymi dierami? Alebo zostane veľkou intelektuálnou hrou? Sú čierne diery len veľkou mrazničkou, ktorá časom, za eóny, všetko vráti späť? Alebo sú to spojnice s inými paralelnými svetmi? Nevieme, jedno je však isté, zdá sa, že kvantová gravitácia sa blíži k svojej zlatej ére, k ére veľkých a vzrušujúcich objavov.

Zem obieha okolo Slnka rýchlosťou okolo 28 kilometrov za sekundu. Neptún je od Slnka 30-krát ďalej, než Zem a už sa "vlečie" len rýchlosťou 5,4 km za sekundu. Supermasívna čierna diera v Sagitarius A* je obiehaná hviezdou s neromantickým označením S0-16 vo vzdialenosti 45 AU (1 Au = vzdialenosť Zem-Slnko). Hádajte ako rýchlo? Pozrite si ešte raz video vyššie.
Odpoveď:

Gratuľujem! Vážne dobrý odhad! 12 000 kilometrov za sekundu - a to sa bavíme, prosím, o hviezde. .

-AT-

< Späť -- Úvodná stránka -- Ďalší >