Pojem, který jsme už asi všichni někdy slyšeli: černé díry. Obrovská, světlo pohlcující tělesa, která se nacházejí někde ve vesmíru. Pro většinu lidí jsou tedy jen záhadné objekty někde daleko od nás. Co jsou ale doopravdy zač a co o nich ještě nevíme? Na to se podíváme v tomto článku.
Co je černá díra?
Pro pochopení, co vlastně je černá díra, je potřeba znát jeden velmi důležitý faktor. To je úniková rychlost, tedy taková rychlost, které musí objekt dosáhnout, aby unikl z gravitačního pole vesmírného tělesa. Například pro naši planetu Zemi je úniková rychlost přibližně 11, 2 km/s (40247 km/h). Černá díra je tedy tak hmotný objekt, jehož úniková rychlost přesahuje rychlost světla. A protože nic nemůže cestovat rychleji než světlo, tak z černé díry nemohou uniknout žádné informace ani hmota.
Zrození černých děr
Černé díry se ale jen tak neobjeví jen tak v prostoru. Jejich vznik trvá relativně krátkou dobu, zato ho doprovází mnoho dramatických událostí. Samotný vznik lze rozdělit do tří základních kategorií podle vzniku původu, nebo jejich hmotnosti.
– Hvězdné černé díry: Černé díry tohoto typu vzniknou zánikem velmi hmotných hvězd (až 20x hmotnějších, než je naše Slunce). Když hvězdě končí její životnost, tedy vyčerpá palivo, přestane v jejím nitru působit tlak záření proti její vlastní gravitační síle. Následkem toho se hvězda zhroutí v gigantické explozi, kterou nazýváme supernova. Její jádro se pak dále hroutí, až vznikne černá díra o hmotnosti několika Sluncí.
– Supermasivní černé díry: Pravděpodobně největší tělesa ve vesmíru. Jejich hmotnost je pro představu zhruba miliard násobek hmotnosti slunce. Nacházejí se v centrech většiny velkých galaxií, včetně naší Mléčné dráhy. Tyto obří objekty pravděpodobně vznikly spojením menších černých děr, okolních hvězd, plynu a prachu.
– Primordiální černé díry: Toto je pouze hypotetický typ černých děr, které mohly vzniknout krátce po Velkém třesku. Spekuluje se o jejich zajímavých vlastnostech, ale jejich existence zatím nebyla prokázána.
Anatomie a paradoxní jednoduchost
Jak jsem si již výše zmínili, procesy pro vznik černé díry jsou nesmírně složité, jejich výsledek je oproti tomu až překvapivě jednoduchý. Černá díra jako taková je definována jen třemi vlastnostmi: hmotností, elektrickým nábojem a rotací. Kromě toho mají černé díry ještě jednu zajímavou oblast zvanou ergosféra. Nachází se vně horizontu, a je to oblast, kde rotace černé díry strhává samotný časoprostor.
Jak sledovat černou díru?
Sledování černé díry je z definice nemožné, protože pohlcuje světlo. Astronomové je však dokáží sledovat „nepřímo“, pomocí jejich gravitačního vlivu na okolí. A to pomocí následujích faktorů:
– Akréční disky: Jestli se v blízkosti černé díry nachází nějaká hvězda nebo oblak plynu, tak z nich začne hmotu „vysávat“. Tato postupně odsávaná hmota kolem ní vytvoří rychle rotující, plochý útvar zvaný akréční disk. Třením se plyny zahřívají a intenzivně září. Právě toto astronomové pozorují.
– Pohyb hvězd: Astronomové sledovali desítky let oběžné dráhy hvězd v naší galaxii. Díky jejich rychlosti a tvaru dokázali spočítat, že ve středu musí být objekt o hmotnosti zhruba milionů Sluncí, stlačený do velmi malého prostoru. Pro tyto jevy je jediné známé vysvětlení černá díra.
– Gravitační čočkování: Extrémní gravitace černé díry ohýbá světelné paprsky z objektů, které se nacházejí za ní. Působí tedy jako obří čočka, která deformuje a zesiluje obraz vzdálených galaxií
– Gravitační vlny: Tyto vlny jsou nejnovější a nejpřímějším důkazem existence černých děr. Tyto vlny jsou „záchvěvy“ v prostoročasu, které vznikají při událostech, jako je srážka nebo splynutí dvou černých děr. Tyto vlny byly poprvé zachyceny v roce 2015 observatořemi LIGO a Virgo.
Podivuhodný svět za horizontem
Fyzika černých děr je plná bizarních až nepochopitelných jevů. Pokud byste se k jedné dostatečně přiblížili, tak zažijete extrémní dilataci (rozpínání) času. Čas by pro vás plynul mnohem pomaleji, než pro pozorovatele v dáli. Tomu by se zdálo, že při překročení horizontu zpomalujete, až nakonec zastavíte na jeho hranici. Vy byste však horizont z vašeho pohledu již dávno překročili.
Pokud byste nedejbože spadli do menší, hvězdné černé síry, tak zemřete kvůli procesu zvaném jako špagetifikace. Rozdíl v gravitační síla působící ve stejný moment na hlavu a nohy by byl tak velký, že by vás natáhl do tenkého pramene atomů.
Navzdory tomu, že z černé díry nic neunikne, Stephen Hawking přišel s teorií, že se mohou černé díry pomalu vypařovat pomocí Hawkingova záření. Jde tedy o kvantový jev na horizontu událostí, díky kterému černá díra pomalu ztrácí hmotnost. Tento proces je však nesmírně zdlouhavý, než by se vypařila větší černá díra, tak by uběhla delší doba, než je současné stáří vesmíru.
První popisy
Dnes máme černé díry spojené s Einsteinovou teorií relativity. Už ale dávno před tím se začaly objevovat názory, co jsou černé díry zač. Už v 18. století anglický přírodovědec John Michell v rámci tehdejších teorií uvažoval, že světlo je tvořeno částicemi, které jsou ovlivněné gravitací. Spekuloval, že pokud by existovala hvězda s 500násobkem průměru Slunce, ale se stejnou hustotou, tak by její úniková rychlost přesáhla rychlost světla. Takovýto objekt by byl pro běžného člověka nepozorovatelný a Michell jej proto nazval „temnou hvězdou“. Opravdový podklad pro existenci těchto objektů však přinesla až Einsteinova teorie ze začátku 20. století.
Zdroje: https://www.hvezdarna.cz/novinky/cerne-diry-nejpodivuhodnejsi-i-nejjednodussi-objekty-ve-vesmiru-2/, https://hradec.rozhlas.cz/co-se-deje-uvnitr-cerne-diry-se-nikdy-nedozvime-protoze-ani-ta-informace-z-ni-7679554, https://cs.wikipedia.org/wiki/%C4%8Cern%C3%A1_d%C3%ADra, https://www.aldebaran.cz/astrofyzika/hvezdy/black_holes.php, https://astronuklfyzika.cz/Gravitace4-8.htm, https://www.stoplusjednicka.cz/tajemstvi-cernych-der-15-podivuhodnych-malo-uveritelnych-faktu-1