Černá díra, co je to horizont událostí a singularita - objekty zcela se vymykající lidskému chápání

Černá díra: extrémně podivný objekt, z jehož gravitace neunikne ani světlo

Černá díra je kosmologickým objektem, jehož vlastnosti se zcela vymykají běžné lidské zkušenosti. Černá díra by se dala popsat jako gravitační past, zpoza které neunikne nic. Ani foton pohybující se rychlostí světla, mezní to rychlosti v našem vesmíru. Co černé díry jednou schvátí, to již nikdy nenavrátí… budu-li parafrázovat známé pořekadlo o pekle.

Co je to gravitační poloměr

Černou díru bychom skutečně mohli popsat jako peklo. Ať již uvnitř a nebo i v blízkém okolí "povrchu" černé díry. Byť o povrchu jako takovém nemůže být v případě černé díry ani řeči, neboť se nejedná o těleso jako jsou planety či hvězdy, ale o "nehmotný" a mocnou gravitací uzavřený objekt.

Černá díra je extrémně podivný objekt, jenž se gravitačním kolapsem (např. hvězdy) zhroutil pod svůj gravitační poloměr R_g neboli pod tzv. Schwarzschildovu mez (mez je pojmenovaná po německém astronomovi Karlu Schwarzschildovi) danou vztahem:

kde G je gravitační konstanta, M hmotnost objektu a c rychlost světla. Tak například gravitační poloměr našeho Slunce činí pouhých 2,96 km a gravitační poloměr naší Země jen 0,443 cm. To je méně než průměr skleněné kuličky, se kterými jsme si jako malé děti cvrnkali do důlku…

Čtěte také: Gigantická černá díra v Arp 299, monstrum v kolidujících galaxiích

Ze všeobecné teorie relativity vyplývá, že každé těleso, které se zhroutí pod svůj gravitační poloměr, musí zkolabovat do tzv. singularity - bodu s nulovým objemem (Penrosův teorém). Pro vzdáleného pozorovatele je tak černá díra přímo nepozorovatelná. Vyjma nepřímých projevů, viz níže v textu.

Hawkingovo vypařování černých děr

Ze všeobecné teorie relativity dále vyplývá, že prostoročas okolo černé díry je uzavřen do sebe a že přes Schwarzschildovu mez, jakýsi horizont událostí, neunikne do okolního prostoru ani foton. Tak zcela to ale přece jen neplatí. Kvantovým procesem zvaným Hawkingův proces vypařování černých děr může černá díra vyzařovat neutrina, fotony a elektrony.

Černá díra s hmotností M září stejně jako černé těleso s teplotou T = 10^-7 (M_s/M) K. Černá díra se tak vypaří za přibližně 10⁶⁶ (M/M_s)³ let. To ovšem za idealizovaných podmínek, kdy černá díra není krmena částicemi mezihvězdného plynu a nebo třeba plynem blízké hvězdy apod.

Vlastně jen díky akreci hmoty můžeme černé díry dnes pozorovat. Byť jen nepřímo. Jejich nenasytnost se totiž projevuje rentgenovým zářením. Jak ono záření vzniká? Hmota v akrečním disku, jenž padá na černou díru k horizontu událostí v nekonečné spirále, je ohřívána na velice vysoké teploty 10⁶ až 10⁷ K. A takovýto plyn září díky synchrotronovému záření elektronů právě v oblasti rentgenových paprsků.

Vlastnosti černé díry

Kosmické těleso, např. hvězda, během svého gravitačního kolapsu ztrácí své původní charakteristiky. Hvězda během svého kolapsu postupně ztrácí nejen svou barvu, ale také strukturu, spektrální charakteristiky atd. Černá díra si zachovává pouze svou hmotnost (Sschwarzschildovy černé díry). Kerrovy (rotující) černé díry si po určitou dobu mohou uchovávat i hybnost a elektrický náboj.

Horizont událostí je totožný se Schwarzschildovou mezí. Mezí, zpod které již nic neunikne. Ani částice světelného záření - foton. A to nejen v případě Schwarzschildových černých děr, které mají jiné vlastnosti než Kerrovy černé díry, ale i v případě Kerrových černých děr. V obou případech má Schwarzschildova sféra kulový tvar.

Kerrovy (rotující) černé díry mají ve svém okolí mnohem složitější strukturu prostoročasu. Obvykle jsou astrofyziky znázorňovány jako rotační elipsoidy. Oblast mezi sférickým horizontem událostí (Schwarzschildovou mezí) a tzv. mezí stability, která je charakterizována nekonečně velkým rudým posuvem, se nazývá ergosféra. Schwarzschildovy černé díry ergosféru nemají.

Podle platných teorií se z ergosféry Kerrových černých děr může s pomocí Penrosova procesu přenášet velká část kinetické energie černé díry do okolního prostoru. Po určitém čase se ale rotace černé díry zastaví, takže nakonec se z každé černé díry stane Schwarzschildova (statická) černá díra a ergosféra zaniká.

Během tohoto procesu, který navrhl v roce 1969 britský astrofyzik R. Penrose, se může z černé díry takto uvolnit obrovské množství energie. Po anihilaci by se tak jednalo o druhý energeticky nejvydatnější proces ve vesmíru. Vydatnost Penrosova procesu vzrůstá, je-li ergosféra černé díry deformována, tedy je tím větší čím rychleji černá díra rotuje.

Zatímco běžná černá díra vykazuje účinnost "jen" asi 21 %, pak Kerrova černá díra se silně deformovanou ergosférou může vykazovat účinnost až 60 %. Jen pro srovnání - účinnost termonukleární reakce probíhající na našem Slunci (tzv. proton-protonový cyklus, slučování jader vodíku na jádra hélia) činí jen 0,7 %!

Kdy černá díra vzniká a jakou má hmotnost?

V dnešním vesmíru může černá díra vzniknout kolapsem hvězdy, jejíž hmotnost v závěrečných fázích svého vývoje neklesne pod 2 až 3 M_s (hmotnosti Slunce). Po vyčerpání paliva ve hvězdě začne nad tlakem záření převládat gravitace a je narušena hydrostatická rovnováha hvězdy.

Gravitace je u hmotných hvězd natolik silná, že rozdrtí atomy jako je tomu u neutronových hvězd, ale ani to další kolaps nezastaví. Ten pokračuje do té doby, dokud se bývalá hvězda nescvrkne pod svůj gravitační poloměr.

Méně hmotné hvězdy mohou zkolabovat pouze do podoby neutronové hvězdy a hvězdy pod Chandrasekharovou mezí (pod asi 1,4 M_s) pouze do podoby bílého trpaslíka. Červení trpaslíci ani hnědí trpaslíci nezkolabují ani do této hvězdné formy, ale po spotřebování svého termonukleárního paliva pouze vychladnou a stanou se černými trpaslíky.

Ve vesmíru však byly objeveny i černé díry střední hmotnosti s hmotnostmi 10³³ až 10³⁴ kg. Jejich objev v září 2002 oznámily hned dva vědecký týmy. Černé díry střední hmotnosti byly objeveny v jádrech kulových hvězdokup, která se začaly utvářet ve stejné době jako galaxie. Jsou tak považovány za jedny z nejstarších objektů ve vesmíru.

První z intermediálních černých děr byla objevena v jádře kulové hvězdokupy M 15 v souhvězdí Pegase, jejíž hmotnost byla odhadnuta na 4 000 M_s. Druhou takovou černou dírou byla černá díra v jádře obří kulové hvězdokupy G1 nacházející se v galaxii M 31 v souhvězdí Andromeda. Tato černá díra má hmotnost asi 20 000 M_s.

Ve vesmíru jsou však dnes známy i obří a supermasivní černé díry s hmotnostmi v řádech miliónů až stovek miliónů hmotností Slunce (M_s). Poslední objevy jdou ale dosti překvapivě i daleko nad tuto mez. V roce 2012 byly objeveny

Naprosto extrémním případem je supermasivní černá díra v jádru čočkové galaxie NGC 1277 v souhvězdí Persea, která je od Země vzdálena asi 67 Mpc. Hmotnost této černé díry činí neuvěřitelných 12 × 10¹⁰ M_s (120 miliard hmotností Slunce!). Tato skutečná gravitační obluda představuje asi 60 % hmotností galaxie NGC 1277. To se naprosto vymyká dosavadním teoriím, které předpokládaly hmotnosti supermasivních černých děr (černých veleděr) v jádrech galaxií do 0,1 % hmotnosti centrální výdutě galaxie.

Takovéto černé díry lze pozorovat (pochopitelně nepřímo z gravitačních projevů a nebo díky rentgenovému záření akrečních disků) v jádrech mnoho galaxií (včetně naší Galaxie) a nebo v jádrech kvasarů. A nebo z relativistických výtrysků, které mohou vznikat při slapovém cupování hvězdy či jiných objektů, které se neprozřetelně přiblížily k černé díře.

Gravitačně svázané páry černých děr a jejich splývání

V centru Seyfertovy galaxie NGC 4151 v souhvězdí Honících psů vzdálené od nás asi 19 Mpc byl rozpoznán těsný pár černých veleděr, které obíhají kolem společného těžiště ve vzdálenosti 0,002 a 0,008 pc jednou za 16 let po výstředných drahách s excentricitou okolo 0,42. Hmotnosti těchto veleděr činí 44 × 10⁶ a 12 × 10⁶ M_s. Obě veledíry by měly poměrně brzy (za pouhých 100 miliónů let) splynout.

První pár černých děr (černých veleděr) objevili v roce 2002 němečtí astronomové S. Komossa a G. Hasiger v galaxii NGC 240 s pomocí rentgenového satelitu Chandra. Galaxie je od nás vzdálena asi 400 mil. světelných let a černé díry sídlící ve dvou oddělených centrech jsou od sebe vzdáleny asi 3 000 světelných let.

Další taková dvojice černých veleděr byla objevena v centru galaxie ARP 299 americkými astronomy. Dvojice černých děr je rovněž pozorována v srdci kvasaru PCG 1302-102 vzdáleného od nás asi 3,5 miliardy světelných let. Pár těchto černých děr obíhající v těsné vzdálenosti 0,06 až 0,22 světelného roku rychlostí okolo 20 000 km/s (asi 7 % rychlosti světla) má již dokonce společný akreční disk…

Jedno takové splynutí černých děr nedávno vědci pozorovali. V pondělí 14. září 2015 v 9:50:45 UTC. A přineslo (pravděpodobně) revoluci ve vědě. Interferometr LIGO detekoval gravitační vlny. Ty měly vzniknout splynutím dvou černých děr do ještě větší rotující černé díry. To vše během pouhých 150 milisekund. A celkový zářivý výkon splynutí těchto černých děr měl dosahovat 3,6 × 10⁴⁸ W. To je svítivý výkon všech hvězd v pozorovaném vesmíru…

Klima v době ledové v České republice, vrcholná fáze…

Poslední doba ledová (tzv. würmský či viselský glaciál, podle toho hovoříme-li o alpínském a nebo…

Toulání v Bílých Karpatech, trojdenní putování částí…

Bílé Karpaty jsou pohoří táhnoucí se podél česko - slovenské hranice, konkrétně od měst Púchov či…

Trek dolinou Irik: Přes ledovcové plato Džikiugankez a…

Kavkaz… Téměř magické to slovo. Pro mnohé synonymum rozlehlosti, tajemna, nedostupna, pro některé životní…

Povedená túra v Turzovské vrchovině: Přes Bobek na ropný…

Turzovská vrchovina nepatří k příliš známým a ani turisty vyhledávaným pohořím. Stojí si tiše ve stínu…

Další související články: