V zamotaných komorách černých děr se střetávají dvě základní teorie o našem světě. Opravdu existují černé díry? Zdá se, že ano. Mohou být vyřešeny základní problémy, které se objeví při bližším zkoumání černých děr? Neznámý. Abychom pochopili, s čím vědci jednají, budete se muset trochu ponořit do historie studia těchto neobvyklých objektů. A začneme skutečností, že ze všech sil, které existují ve fyzice, je ta, které vůbec nerozumíme: gravitace.
Gravitace je průnik základní fyziky a astronomie, hranice, na které se střetávají dvě nejzákladnější teorie popisující náš svět: kvantová teorie a Einsteinova teorie časoprostoru a gravitace, neboli obecná relativita.
Černé díry a gravitace
Tyto dvě teorie se zdají být neslučitelné. A to není ani problém. Existují v různých světech, kvantová mechanika popisuje velmi malé a obecná relativita popisuje velmi velké.
Teprve když se dostanete do extrémně malých měřítek a extrémní gravitace, dojde ke srážce obou teorií a nějakým způsobem se ukáže, že se jedna z nich mýlí. V každém případě to vyplývá z teorie.
Ale ve vesmíru je jedno místo, kde bychom mohli skutečně vidět tento problém, a možná ho dokonce vyřešit: okraj černé díry. Zde se setkáváme s nejextrémnější gravitací. Ale je tu jeden problém: nikdo nikdy „neviděl“černou díru.
Propagační video:
Co je černá díra?
Představte si, že veškeré drama ve fyzickém světě se odehrává v divadle časoprostoru, ale gravitace je jedinou silou, která ve skutečnosti mění divadlo, ve kterém se hraje.
Gravitační síla ovládá vesmír, ale nemusí to být ani síla v tradičním smyslu. Einstein to popsal jako důsledek deformace časoprostoru. A možná to prostě nezapadá do standardního modelu fyziky částic.
Když na konci své životnosti exploduje velmi velká hvězda, její nejvnitřnější část se zhroutí pod vlastní gravitací, protože již není dostatek paliva k udržení tlaku proti gravitaci. Koneckonců, gravitace je stále schopna vyvinout sílu, vypadá to takto.
Hmota se zhroutí a žádný pád v přírodě nemůže tento kolaps opustit.
V průběhu nekonečné doby se hvězda zhroutí do nekonečného bodu: singularity, nebo ji nazveme černou dírou. Ale v konečném čase se samozřejmě hvězdné jádro zhroutí do něčeho o konečných rozměrech a stále bude mít obrovskou hmotu v nekonečně malé oblasti. A bude se to také nazývat černá díra.
Černé díry všechno nesají
Je pozoruhodné, že myšlenka, že černá díra nevyhnutelně saje všechno do sebe, je špatná.
Ve skutečnosti, ať už obíháte kolem hvězdy nebo černé díry vytvořené z hvězdy, nezáleží na tom, dokud hmota zůstane stejná. Dobrá staromódní odstředivá síla a vaše úhlová síla vás udrží v bezpečí a zabrání vám v pádu.
Teprve když zapnete raketové brzdy, abyste přerušili rotaci, začnete padat dovnitř.
Jakmile však začnete padat do černých děr, postupně zrychlíte na stále vyšší rychlosti, až nakonec dosáhnete rychlosti světla.
Proč nejsou kvantová teorie a obecná relativita nekompatibilní?
V tuto chvíli se všechno dělí na kusy, protože v souladu s obecnou relativitou se nic nemůže pohybovat rychleji než rychlost světla.
Světlo je substrát používaný v kvantovém světě k výměně sil a přenosu informací do makrokosmu. Světlo určuje, jak rychle můžete připojit příčinu a následek. Pokud se pohybujete rychleji než světlo, můžete vidět události a měnit věci dříve, než k nim dojde. A to má dva důsledky:
- V bodě, kde dosáhnete rychlosti světla pádem dovnitř, musíte také letět z tohoto bodu ještě vyšší rychlostí, což se zdá být nemožné. Proto vám konvenční fyzická moudrost řekne, že černou dírou nemůže nic zlomit tím, že prolomí tuto bariéru, kterou také nazýváme „horizont událostí“.
- Z toho také vyplývá, že se náhle porušují základní principy zachování kvantové informace.
Zda je to pravda a jak můžeme upravit teorii gravitace (nebo kvantové fyziky), jsou otázky, na které mnoho fyziků hledá odpovědi. A nikdo z nás nemůže říci, s jakými argumenty skončíme.
Existují černé díry?
Je zřejmé, že toto vzrušení by bylo ospravedlnitelné pouze tehdy, pokud by v tomto vesmíru skutečně existovaly černé díry. Takže existují?
V minulém století bylo přesvědčivě prokázáno, že některé binární hvězdy s intenzivními rentgenovými paprsky jsou ve skutečnosti hvězdy, které se zhroutily do černých děr.
Navíc v centrech galaxií často nalézáme důkazy o obrovských koncentracích temné hmoty. Mohly to být supermasivní verze černých děr, pravděpodobně vytvořené sloučením mnoha hvězd a oblaků plynu, které se vrhly do středu galaxie.
Důkazy jsou silné, ale nepřímé. Gravitační vlny nám umožnily alespoň „slyšet“sloučení černých děr, ale podpis horizontu událostí je stále nepolapitelný a dosud jsme „černé“díry „neviděli“- jsou prostě příliš malé, příliš vzdálené a ve většině případů příliš černé.
Jak vypadá černá díra?
Pokud se podíváte přímo do černé díry, uvidíte nejtmavší temnotu, jakou si lze představit.
Bezprostřední okolí černé díry však může být dostatečně jasné, protože spirály plynů směřují dovnitř - zpomalují se díky odporu magnetických polí, které nesou.
V důsledku magnetického tření je plyn zahříván na enormní teploty několika desítek miliard stupňů a začíná emitovat ultrafialové a rentgenové paprsky.
Ultra-horké elektrony interagující s magnetickým polem v plynu začnou produkovat intenzivní rádiové vyzařování. Černé díry tedy mohou zářit a mohou být obklopeny ohnivým prstencem emitujícím na různých vlnových délkách.
Ohnivý kroužek s černo-černým středem
A přesto, přímo uprostřed, horizont události zachycuje, jako dravý pták, každý foton, který se dostane příliš blízko.
Protože prostor je zakřiven obrovskou hmotou černé díry, ohýbají se také dráhy světla a dokonce tvoří téměř soustředné kruhy kolem černé díry, jako hadi kolem hlubokého údolí. Tento prsten světelného efektu byl vypočítán již v roce 1916 slavným matematikem Davidem Hilbertem jen pár měsíců poté, co Albert Einstein dokončil svou teorii obecné relativity.
Po vícenásobném průchodu černou dírou mohou některé světelné paprsky uniknout, zatímco jiné skončí v horizontu události. Na této složité cestě světla můžete doslova nahlédnout do černé díry. A „nic“, které se vám zdá, bude horizontem událostí.
Pokud jste vyfotili černou díru, viděli byste černý stín obklopený zářící mlhou světla. Tuto funkci jsme nazvali stínem černé díry.
Je pozoruhodné, že tento stín se zdá být větší, než by se dalo očekávat, pokud vezmeme průměr horizontu události jako jeho původ. Důvod je ten, že černá díra funguje jako obří čočka, která se zesiluje.
Stínové prostředí bude představovat malý „fotonový kroužek“kvůli světlu, které se víří kolem černé díry téměř navždy. Kromě toho uvidíte více kruhů světla, které se objevují poblíž horizontu události, ale díky efektu objektivu se soustředí kolem stínu černé díry.
Fantasy nebo realita?
Mohla by být černá díra skutečným vynálezem, který lze modelovat pouze na počítači? Nebo to můžete vidět v praxi? Odpověď: je to možné.
Ve vesmíru jsou dvě relativně blízké supermasivní černé díry, které jsou tak velké a blízké, že jejich stíny lze zachytit pomocí moderní technologie.
Uprostřed naší Mléčné dráhy jsou černé díry vzdálené 26 000 světelných let s hmotností 4 miliony krát větší než Slunce a černá díra v obrovské eliptické galaxii M87 (Messier 87) s hmotností 3 až 6 miliard slunečních hmot.
M87 je tisíckrát dál, ale tisíckrát masivnější a tisíckrát větší, takže oba objekty budou mít přibližně stejný průměr stínu promítaného na oblohu.
Podívejte se na zrnko hořčice v New Yorku z Evropy
Shodou okolností jednoduché teorie záření předpovídají, že pro oba objekty bude záření generované v blízkosti horizontu události vyzařováno při rádiových frekvencích 230 Hz a vyšších.
Většina z nás se s těmito frekvencemi setkává pouze tehdy, když musíme projít skenerem na moderním letišti. Černé díry v nich neustále plavou.
Toto záření má velmi krátkou vlnovou délku - řádově milimetr -, kterou snadno absorbuje voda. Aby mohl dalekohled pozorovat kosmické milimetrové vlny, musí být umístěn vysoko na suché hoře, aby se zabránilo pohlcování záření v zemské troposféře.
V zásadě potřebujeme milimetrový dalekohled, který dokáže vidět objekt velikosti hořčičného semene v New Yorku odněkud v Nizozemsku. Tento dalekohled bude tisíckrát ostřejší než Hubbleův kosmický dalekohled a na milimetrových vlnových délkách bude takový dalekohled Atlantický oceán nebo větší.
Virtuální dalekohled o velikosti Země
Naštěstí nemusíme pokrývat Zemi jediným rádiem, protože můžeme sestavit virtuální dalekohled se stejným rozlišením kombinací dat z dalekohledů v různých horách kolem Země.
Tato technika se nazývá syntéza clony a velmi dlouhá základní interferometrie (VLBI). Myšlenka je docela stará a prokázaná v průběhu několika desetiletí, ale teprve nyní je možné ji aplikovat na vysokých rádiových frekvencích.
První úspěšné experimenty ukázaly, že struktury horizontu událostí lze zkoumat na takových frekvencích. Nyní je vše, co potřebujete k provedení takového experimentu ve velkém měřítku.
Práce již probíhá
Projekt BlackHoleCam je evropský projekt pro dokonalý obraz, měření a pochopení astrofyzikálních černých děr. Evropský projekt je součástí globální spolupráce - konsorcium Event Horizon Telescope, které zahrnuje více než 200 vědců z Evropy, Ameriky, Asie a Afriky. Společně chtějí vyfotografovat první snímek černé díry.
V dubnu 2017 pozorovali galaktické centrum a M87 s osmi dalekohledy na šesti různých horách ve Španělsku, Arizoně, Havaji, Mexiku, Chile a jižním pólu.
Všechny dalekohledy byly vybaveny přesnými atomovými hodinami pro přesnou synchronizaci jejich dat. Vědci zaznamenali několik petabajtů nezpracovaných údajů, a to díky překvapivě dobrým povětrnostním podmínkám po celém světě.
Fotografie černé díry
Pokud se vědcům podaří vidět horizont událostí, budou vědět, že problémy, které vyvstávají na křižovatce kvantové teorie a obecné relativity, nejsou abstraktní, ale velmi reálné. Možná to je, když je lze vyřešit.
Toho lze dosáhnout získáním jasnějších obrazů stínů černých děr nebo sledováním hvězd a pulsarů na jejich cestě kolem černých děr pomocí všech dostupných metod ke studiu těchto objektů.
Snad to budou v budoucnu naše exotické laboratoře černé díry.
Ilya Khel