Černé díry jsou možná nejzáhadnějšími objekty ve vesmíru. Pokud ovšem věci nejsou ukryty někde v hlubinách, jejichž existenci neznáme a nemůžeme vědět, což je nepravděpodobné. Černé díry jsou kolosální hmota a hustota, stlačené do jednoho bodu malého poloměru. Fyzikální vlastnosti těchto objektů jsou tak zvláštní, že lákají ty nejsofistikovanější fyziky a astrofyziky. Sabine Hossfender, teoretická fyzička, sestavila výběr deseti faktů o černých dírách, které by měl každý vědět.
Co je černá díra?
Rozhodující vlastností černé díry je její horizont. Toto je hranice, za kterou se nemůže vrátit nic, ani světlo. Pokud se oddělená oblast stane navždy oddělenou, mluvíme o „horizontu událostí“. Pokud je pouze dočasně oddělen, mluvíme o „viditelném horizontu“. Ale toto „dočasné“může také znamenat, že oblast bude oddělena mnohem déle, než je současný věk vesmíru. Pokud je horizont černé díry dočasný, ale dlouhodobý, je rozdíl mezi první a druhou rozmazaný.
Jak velké jsou černé díry?
Horizont černé díry si můžete představit jako kouli a její průměr bude přímo úměrný hmotnosti černé díry. Čím více hmoty tedy padne do černé díry, tím větší bude černá díra. Ve srovnání s hvězdnými objekty jsou však černé díry malé, protože hmota je stlačena do velmi malých objemů pod vlivem neodolatelného gravitačního tlaku. Například poloměr černé díry o hmotnosti planety Země je jen několik milimetrů. To je 10 000 000 000krát méně než současný poloměr Země.
Propagační video:
Poloměr černé díry se nazývá Schwarzschildův poloměr po Karlovi Schwarzschildovi, který nejprve odvodil černé díry jako řešení Einsteinovy obecné teorie relativity.
Co se děje na obzoru?
Když překročíte obzor, nic zvláštního se kolem vás neděje. Všechno kvůli Einsteinovu principu ekvivalence, z něhož vyplývá, že nemůžete najít rozdíl mezi zrychlením v plochém prostoru a gravitačním polem, které vytváří zakřivení prostoru. Pozorovatel od černé díry, který sleduje, jak do ní někdo padá, si však všimne, že se bude pohybovat stále pomaleji a přibližovat se k obzoru. Je to, jako by se čas pohyboval pomaleji blízko horizontu událostí, než od horizontu. Nějaký čas však uběhne a pozorovatel padající do díry překročí horizont událostí a ocitne se v okruhu Schwarzschildů.
To, co zažijete na obzoru, závisí na slapových silách gravitačního pole. Přílivové síly na obzoru jsou nepřímo úměrné čtverci hmotnosti černé díry. To znamená, že čím větší a masivnější je černá díra, tím menší síla. A pokud je jen černá díra dostatečně masivní, můžete překročit horizont, než si vůbec všimnete, že se něco děje. Účinek těchto slapových sil vás protáhne: technický termín, který pro to fyzici používají, je spaghettifikace.
V počátcích obecné relativity se věřilo, že na obzoru je singularita, ale ukázalo se, že tomu tak není.
Co je uvnitř černé díry?
Nikdo neví jistě, ale rozhodně ne polici. Obecná relativita předpovídá, že v černé díře existuje singularita, místo, kde jsou slapové síly nekonečně velké, a jakmile překročíte horizont událostí, nemůžete jít nikam jinam, než do singularity. Proto je lepší na těchto místech nepoužívat obecnou relativitu - prostě to nefunguje. Abychom řekli, co se děje uvnitř černé díry, potřebujeme teorii kvantové gravitace. Obecně se uznává, že tato teorie nahradí singularitu něčím jiným.
Jak vznikají černé díry?
V současné době víme o čtyřech různých způsobech vzniku černých děr. Nejlepší porozumění je spojeno s hvězdným kolapsem. Dostatečně velká hvězda vytvoří po ukončení své jaderné fúze černou díru, protože bylo syntetizováno vše, co již bylo možné syntetizovat. Když tlak vytvořený fúzí ustane, hmota začne klesat směrem k vlastnímu gravitačnímu centru a bude stále hustší. Nakonec se stane tak hustým, že nic nemůže překonat gravitační účinek na povrch hvězdy: takto se rodí černá díra. Tyto černé díry se nazývají „černé díry sluneční hmoty“a jsou nejběžnější.
Dalším běžným typem černé díry je „supermasivní černá díra“, kterou lze nalézt v centrech mnoha galaxií a která má zhruba miliardkrát větší hmotnost než sluneční černé díry. Dosud není přesně známo, jak jsou formovány. Předpokládá se, že kdysi začaly jako černé díry sluneční hmoty, které konzumovaly mnoho dalších hvězd v hustě osídlených galaktických centrech a rostly. Zdá se však, že absorbují hmotu rychleji, než naznačuje tato jednoduchá myšlenka, a jak přesně to dělají, je stále otázkou výzkumu.
Kontroverznějším nápadem byly prvotní černé díry, které mohly být vytvořeny téměř jakoukoli hmotou ve velkých fluktuacích hustoty v raném vesmíru. I když je to možné, je obtížné najít model, který je produkuje, aniž by je vytvořil příliš.
Konečně existuje velmi spekulativní myšlenka, že by se na Velkém hadronovém urychlovači mohly vytvořit malé černé díry s hmotami blízkými Higgsově bosonu. To funguje, pouze pokud má náš vesmír další rozměry. Doposud nebylo potvrzeno ve prospěch této teorie.
Jak víme, že existují černé díry?
Máme spoustu pozorovacích důkazů pro kompaktní objekty s velkou hmotou, které nevyzařují světlo. Tyto objekty se vzdávají gravitační přitažlivostí, například v důsledku pohybu jiných hvězd nebo plynových mraků kolem nich. Vytvářejí také gravitační čočky. Víme, že tyto objekty nemají pevný povrch. To vyplývá z pozorování, protože hmota padající na objekt s povrchem by měla způsobit uvolnění více částic než hmota padající horizontem.
Proč Hawking loni řekl, že černé díry neexistují?
Myslel tím, že černé díry nemají horizont věčných událostí, ale pouze dočasný zdánlivý horizont (viz odstavec jedna). V přísném slova smyslu je za černou díru považován pouze horizont událostí.
Jak černé díry vyzařují záření?
Černé díry vyzařují záření kvůli kvantovým efektům. Je důležité si uvědomit, že se jedná o kvantové účinky hmoty, nikoli o kvantové účinky gravitace. Dynamický časoprostor kolabující černé díry mění samotnou definici částice. Stejně jako plynutí času, který se deformuje v blízkosti černé díry, je koncept částic příliš závislý na pozorovateli. Zejména když si pozorovatel padající do černé díry myslí, že padá do vakua, pozorovatel daleko od černé díry si myslí, že to není vakuum, ale prostor plný částic. Je to natahování časoprostoru, které tento efekt způsobuje.
Nejprve objevil Stephen Hawking, záření vyzařované černou dírou se nazývá Hawkingovo záření. Toto záření má teplotu nepřímo úměrnou hmotnosti černé díry: čím menší je černá díra, tím vyšší je teplota. Hvězdné a supermasivní černé díry, které známe, mají teploty hluboko pod teplotou mikrovlnného pozadí, a proto nejsou pozorovány.
Co je to informační paradox?
Paradox ztráty informací je způsoben Hawkingovým zářením. Toto záření je čistě tepelné, to znamená, že má pouze teplotu náhodou a určitých vlastností. Samotné záření neobsahuje žádné informace o tom, jak vznikla černá díra. Ale když černá díra vyzařuje záření, ztrácí hmotu a smršťuje se. To vše je zcela nezávislé na látce, která se stala součástí černé díry nebo ze které byla vytvořena. Ukázalo se, že když známe pouze konečný stav odpařování, nelze říci, z čeho vznikla černá díra. Tento proces je „nevratný“- a háčkem je, že v kvantové mechanice takový proces neexistuje.
Ukazuje se, že odpařování černé díry je neslučitelné s kvantovou teorií, kterou známe, a je třeba s tím něco udělat. Nějak odstranit rozpor. Většina fyziků věří, že řešením je, že Hawkingovo záření musí nějak obsahovat informace.
Co navrhuje Hawking k vyřešení paradoxu informací o černé díře?
Myšlenka je, že černé díry musí mít způsob, jak ukládat informace, které dosud nebyly přijaty. Informace jsou uloženy na obzoru černé díry a mohou způsobit malé posuny částic v Hawkingově záření. V těchto drobných přemístěních mohou být informace o zachycené hmotě. Přesné podrobnosti tohoto procesu jsou v současné době nejasné. Vědci čekají na podrobnější technickou práci od Stephena Hawkinga, Malcolma Perryho a Andrewa Stromingera. Říká se, že se objeví na konci září.
V tuto chvíli jsme si jisti, že černé díry existují, víme, kde jsou, jak se tvoří a čím se nakonec stanou. Ale podrobnosti o tom, kam k nim informace směřují, stále představují jedno z největších tajemství ve vesmíru.
Ilya Khel
