reklama

Tajemství černých děr: 15 podivuhodných a málo uvěřitelných faktů (2.)

9.7.2017 – Stanislav Mihulka
Gravitace černých děr je natolik silná, že neodolatelně přitahují i naši pozornost. Dali jsme dohromady 15 podivných vlastností, kterými nás černé díry přitahují. V této části to je tvar černých děr, těžba energie, vznik černých děr či vypařování černých děr
Informační paradox
Informační paradox

Při vypařování Hawkingovým zářením by mělo docházet ke ztrátě informací o hmotě. To však odporuje kvantové mechanice


Předchozí část:
Tajemství černých děr: 15 podivuhodných a málo uvěřitelných faktů (1.)


6. Černé díry jsou kulaté

Černé díry ve skutečnosti nejsou žádné díry. Hmota, jež do nich padá, nikam nemizí

Pojem „černá díra“ je poněkud zavádějící. Nejde totiž o žádné díry ani tunely, jak se často znázorňují. S našimi fyzikálními teoriemi a přístroji můžeme dosáhnout k horizontu událostí – a ten má pro vnější pozorovatele prakticky kulovitý tvar. 

Podle populárních představ požírají černé díry všechno ve svém dosahu, ve skutečnosti to ovšem platí jen pro blízké okolí horizontu událostí. S větším odstupem od černé díry je její gravitační pole stejné jako v případě jiného tělesa o stejné hmotnosti.

7. Z rotujících černých děr lze těžit energii

Díky rotaci prostoru nad horizontem událostí bychom teoreticky mohli z černých děr získat část energie

Kolem rotujících černých děr se vně horizontu událostí nachází elipsoidní oblast vymezená plochou, kde rotace okolního časoprostoru dosahuje rychlosti světla. Na obou pólech rotace se zmíněná plocha dotýká horizontu událostí, přičemž oblasti mezi touto plochou a horizontem událostí se říká ergosféra. Spadne-li nějaká částice do ergosféry, získá díky rotaci energii navíc. Dokud se však nachází nad horizontem událostí, může ještě černou díru i se získanou energií opustit.

Uvedený proces hypoteticky umožňuje těžit z černé díry rotační energii. V roce 1969 jej navrhnul matematik Roger Penrose a teoreticky lze tímto způsobem vytěžit 20,7 % celkové energie rotující černé díry. Poté by černá díra přestala rotovat a ergosféra by zanikla. Tzv. Penroseův proces by také mohl vysvětlovat gama záblesky a podobné nesmírně energetické jevy ve vesmíru. Počítačové modely ukazují, že zmíněný proces zřejmě podněcuje záření kvazarů a dalších aktivních galaktických jader, obsahujících monstrózní supermasivní černé díry.

8. Černé díry vznikají hlavně zhroucením hvězd

V existenci černých děr věříme, i když jsme je dosud nespatřili a víme o nich jen nepřímo

Podivnost černých děr může vést až k podezření, zda nejsou jen patologickým řešením Einsteinových rovnic, které nemá s reálným světem nic společného. Sám slavný fyzik v černé díry nevěřil a domníval se, že se částice při gravitačním kolapsu v určitou chvíli samovolně stabilizují. Kvůli jeho autoritě odmítala většina odborníků veškeré výsledky, které existenci zmíněných objektů naznačovaly. Po Einsteinově smrti v roce 1955 se však situace pozvolna měnila a koncem 60. let už převážná část fyziků souhlasila, že mohou vznikat horizonty událostí. Z černých děr se postupně stal astrofyzikální mainstream, i když dodnes na vlastní oči nikdo žádnou neviděl. 

Za hlavní příčinu vzniku černých děr se považuje zhroucení čili gravitační kolaps hmotných hvězd. Dochází k němu na konci života stálice, pokud vyčerpá všechno palivo, případně získá nadbytečnou hmotu. Jakmile přestane vnitřní tlak hvězdy stačit na vzdorování její vlastní gravitaci, objekt gravitačně zkolabuje. Je-li dostatečně masivní, fantasticky vybuchne jako supernova. Většina hmoty stálice se v explozi rozplyne a zůstanou jen velmi hutné „hvězdné vnitřnosti“. Pokud pozůstatek po supernově (zpravidla jádro původní hvězdy) dosáhne hmotnosti 3–4 sluncí, nic už nedokáže zabránit jeho totálnímu zhroucení do singularity černé díry. 

9. Můžeme vyrobit černou minidíru?

Vlastní černou díru zatím vytvořit neumíme. A i kdyby ano, potřebovali bychom nesmírné množství energie

Černé díry mohou čistě hypoteticky dosahovat jakékoliv hmotnosti, je-li stejná nebo vyšší než tzv. Planckova hmotnost čili asi 22 μg (mikrogramů). Vědci předpokládají, že vesmír byl bezprostředně po svém vzniku tak hustý, že v něm mohly vznikat tzv. primordiální černé díry, jež měly spíše skromné rozměry. Podle odhadů by dodnes mohly přežít prvopočáteční černé díry o hmotnosti 1012 kg a větší, ovšem zatím tomu nic nenasvědčuje a pozorování hovoří spíše proti jejich existenci.

Další napínavá možnost zní, že bychom malou černou díru vyrobili na pozemských urychlovačích. Jenže – v důvěrně známé trojrozměrné gravitaci bychom ke vzniku těch nejmenších možných černých děr potřebovali minimálně 1019 GeV (gigaelektronvoltů) energie, což zůstává zcela mimo dosah jakýchkoliv dnes představitelných technologií. Údajně bychom k takové srážce částic museli disponovat urychlovačem o průměru tisíc světelných let. Americký fyzik John Wheeler prý spočítal, že by černou mikrodíru mohlo vytvořit i odpálení vodíkové pumy z veškerého deuteria v pozemské vodě. Některé scénáře bránové kosmologie zahrnující další rozměry však počítají s mnohem nižší Planckovou hmotností, na niž by už dosáhl Velký hadronový urychlovač (LHC), který bude srážet protony s výslednou energií 14 TeV (teraelektronvoltů). 

Fyzici se černých miniděr nebojí – naopak se je usilovně snaží objevit. Pokud by je vyčetli z dat LHC, šlo by o pádný důkaz ve prospěch existence dalších rozměrů. I kdyby se černou díru podařilo vyrobit, Zemi by určitě nezničila. Podle kvantové mechaniky se totiž takřka okamžitě vypaří. Jestliže by bylo snadné vytvořit na urychlovačích stabilní a žravou černou díru, dávno by už neexistovala Země ani další planety, hvězdy… Vesmírem totiž celé věky létají vysokoenergetické částice kosmického záření, při jejichž srážkách s dalšími atomy by se takové černé díry zrodily – a to se očividně neděje.

10. Černé díry se vypařují

Aby se černá díra mohla vypařovat, musela by vyzařovat Hawkingovo záření o vyšší teplotě než má její okolí

Když Stephen Hawking nasadil v roce 1974 na černé díry kvantovou mechaniku, zjistil, že nejsou tak úplně černé. Podle jeho výpočtů vydávají minimum tepelného záření, kterému se časem začalo říkat Hawkingovo. Pokud má slavný fyzik pravdu, černé díry se velmi pomalu vypařují, přičemž ty větší tak činí pomaleji a se zářením o nižší teplotě než jejich malé kolegyně. 

Ve skutečnosti černá díra o hmotnosti Slunce vydává Hawkingovo záření o teplotě přibližně 100 nK (nanokelvinů), zatímco teplota reliktního mikrovlnného záření činí zhruba 2,7 K. Z toho plyne, že černé díry o hmotnosti naší hvězdy a větší přijmou mnohem víc hmoty od reliktního mikrovlnného záření, než kolik jí samy ztratí Hawkingovým zářením. Tudíž se nevypařují, ale naopak rostou. Aby tedy černá díra vyzařovala Hawkingovo záření teplejší než reliktní záření a skutečně se tak vypařovala, musela by být lehčí než Měsíc. V tom případě by ovšem měla průměr menší než 0,1 mm. Černá díra o hmotnosti auta by pak v průměru měřila pouze 10−24 m a vypařila by se za pouhou 1 ns (nanosekundu), přičemž by ovšem zableskla 200× jasněji než Slunce.

Pokračování příště

Foto, ilustrace: 
NASA, ESO, University of Berkeley, Wikipedie
Zdroj: 
Tajemství vesmíru 1/2015
reklama