Co se děje uvnitř černé díry, se nikdy nedozvíme. Protože ani ta informace z ní nikdy neunikne

Kresba černé díry Cygnus X-1 s akrečním diskem, která odčerpává hmotu blízké hvězdě
Kresba černé díry Cygnus X-1 s akrečním diskem, která odčerpává hmotu blízké hvězdě

Zaujal nás článek na internetu o tom, že vědci definitivně potvrdili existenci obří černé díry, která sedí přímo v srdci naší galaxie. Je to údajně supermasivní černá díra o hmotnosti čtyř milionů sluncí. Proto jsme dnes do studia pozvali doktora RNDr. Jana Šlégra, Ph.D. z katedry fyziky Přírodovědecké fakulty Univerzity Hradec Králové. 

Pane doktore, abychom si o té černé díře hned popovídali. Máme se bát?
Nemusíte se bát, ona supermasivní černá díra ve středu naší galaxie už tam nějakou dobu je a ještě tam nějakou dobu bude. Je od nás tak daleko, že nás určitě nesežere.

RNDr. Jan Šlégr, Ph.D. ve studiu Českého rozhlasu Hradec Králové

Dobře, když to říkáte. Protože černá díra je schopna pohltit úplně všechno včetně světla. Je to tak?
Je to tak, možná to není úplně intuitivní, protože černé díry se definují tak, že jde těleso, které má tak silné gravitační pole, že z něj neunikne ani světlo. Proto se jim říká černé díry, protože nesvítí. A to, že černá díra pohltí nějakou hmotu, to si ještě člověk představí, protože ji přitáhne. Ale jak může přitáhnout světlo, které nemá žádnou hmotnost.

Mohu vás uklidnit, naše Slunce se nikdy nestane černou dírou, na to nemá dostatečnou hmotnost.
RNDr. Jan Šlégr, Ph.D.

Jak tedy může přitáhnout světlo, když je to něco nehmotného?
My se na gravitační působení můžeme dívat buď pomocí Newtonova gravitačního zákona, už od 17. století se ví, že gravitační síla je přímo úměrná součinu hmotnosti těles. A když tedy světlo žádnou hmotnost nemá, tak onen gravitační zákon tady nefunguje. A musíme se na to podívat trošku složitějším způsobem pomocí obecné teorie relativity, kterou publikoval Albert Einstein v roce 1915. Zjednodušeně řečeno obecná teorie relativity říká, že hmotná tělesa zakřivují okolní prostor. Většinou u toho bývá obrázek trampolíny, kde se doprostřed dá medicinbal a trampolína se prohne. Těžký medicinbal zakřiví trampolínu. A světlo se pohybuje vždy po nejkratších spojnicích a právě ta může být na té trampolíně různě křivá. Světlo se v okolí takových těles nešíří přímočaře, ale dráha je různě zakřivená. Pro opravdu velmi hmotné těleso, jako je černá díra, tak je časoprostor zakřivený takovým způsobem, že z jeho gravitačního pole už neunikne ani světlo.

Prostě obrovská síla uvnitř černé díry.
Přesně tak.

Slunce je obyčejná, středně velká hvězda. Žlutý trpaslík, ovšem obestřený některými záhadami

Povrch Slunce v UV záření, včetně výrazné protuberance v pravém horním rohu

Co je to Slunce? To je dobrá otázka, protože v encyklopediích se dají najít takové perly, že hvězdy jsou obrovské koule žhavého plynu, v jejichž středu je jaderný reaktor. Ale kdo si ze školy pamatuje, co platí pro ideální plyn, nebo jak funguje jaderný reaktor? Nota bene, když hvězdy fungují na úplně jiném principu než jaderné reaktory na Zemi. 

Když jste mluvil o tom zakřivení, uvědomil jsem si, že to je asi podobné, jako když letadla létají kolem Země.
Ano, když se podíváte na placatou mapu, tak nejkratší spojnice dvou míst na Zemi není úsečka, ale většinou je to na mapě nějaká křivka. Protože i letadla se pohybují nad zakřiveným povrchem Země, proto jsou to křivky, kterým se říká loxodromy nebo ortodromy.

Co se přesně odehrává uvnitř černé díry? Dokážeme si to vůbec představit? Tam jsou tak obrovské síly, že to prostě stáhne i světlo a nepustí ho ven.
To je dobrá otázka, na kterou nikdo nezná odpověď. Protože co se děje uvnitř černých děr, to nikdy nezjistíme, protože kdybychom tam poslali nějakou sondu, tak ona už se nikdy nedostane ven. A stejně nedostane ani žádné rádiové vysílání. Takže vy byste nemohli vysílat z černé díry, protože by vás nikdo neslyšel. Nešlo by to ven.

Numerická simulace splynutí dvou černých děr v jednu větší. Tato událost byla pozorována pomocí gravitačních vln v roce 2015

A kde je to ještě tedy od černé díry bezpečné? Slyšel jsem něco jako horizont události?
Ano, horizont událostí. Někdy se tomu říká raději horizont událostí, protože pak se tomu říká Schwarzschildův poloměr. Protože se to obtížně vyslovuje, tak je lepší tomu říkat horizont událostí. To je poloměr, který se dá spočítat. Jako první to v roce 1916, rok po tom, co Albert Einstein publikoval obecnou teorii relativity, spočítal Karl Schwarzschild. Je to vzdálenost od středu černé díry, od které už dochází ke všem těmto jevům. Pokud jste nad Schwarzschildovým poloměrem, tak se ještě z gravitačního pole černé díry můžete dostat. Ale pokud jste pod ním, tak už vás černá díra prostě sežere.

Kdy se vůbec začali vědci zajímat o to, že by něco takového jako černá díra mohlo ve vesmíru vůbec být? Černá díra, když není vidět?
První takové úvahy už jsou z nějakého 18. století, Pierre Simon de Laplace, John Mitchell. Tehdy se poprvé uvažovalo o velmi hmotných objektech, které by měly tak silné gravitační pole. Ale onen zmíněný výpočet byl proveden až v roce 1916 Karlem Schwarzschildem.

Zeměkoule a vycházející Slunce

Byly nějaké signály, nějaké teorie, podle kterých se existence černých děr předpokládala?
Tehdy ještě ne. Tehdy to bylo jen skutečně řešení Einsteinových rovnic pole, obecné teorie relativity. Ale o tom, že by skutečně takové objekty mohly existovat, se začalo mluvit až v 60. letech 20. století. John Archibald Wheeler tehdy poprvé použil pojem černá díra. A dlouho byly tyto objekty hypotetické, nevědělo se, jestli skutečně takový objekt existuje. První kandidát, to je až rok 1970, byl Cygnus X-1. Protože takové objekty se pozoruji velmi obtížně, když z nich nevychází žádné světlo.

To mě právě zajímá, jak se tedy pozorují? Jak se podařilo dokázat, že jsou černé díry?
Pokud jde o menší černé díry, to jsou objekty, které mají minimálně hmotnost desetinásobku hmotnosti našeho Slunce, ty se pozorují většinou tak, pokud ona černá díra ještě úplně nevyžrala své okolí, tak má tzv. akreční disk, což je vír různého materiálu, plynu a prachu.

To si můžeme asi představit jako vodu, když vypouštíme vanu.
Ano, přesně tak. Když vyndáte špunt z vany, tak tam vzniká vír a v tom místě, kde je ten odpad, si můžete představit černou díru, která vše nasává a ta hmota dosahuje poměrně velkých rychlostí. To jsou rychlosti třeba i desetin rychlosti světla. Jsou to tisíce, desetitisíce kilometrů za sekundu. A taková urychlená hmota velmi intenzivně září na různých vlnových délkách. Tedy oni první kandidáti na černé díry byli pozorováni v rentgenovém oboru. Protože akreční disk vyzařuje rentgenové záření.

Hvězdou nám nejbližší je Slunce. Bez něj by nebyl na Zemi život.

Východ slunce nad Sarajevem v roce 2014

Od počátku lidské civilizace bylo Slunce uctíváno jako životodárný symbol. Jedním z nejvýznamnějších světových pracovišť pro sluneční výzkum je hvězdárna v Úpici. Za jejím pracovníkem Janem Klimešem si pro pár zajímavostí o Slunci zašla redaktorka Eliška Pilařová.

Jak vznikají černé díry?
Je to objekt, který musí být minimálně desetinásobkem hmotnosti Slunce, ale může to být i mnohem víc. Mohu vás tedy uklidnit, naše Slunce se nikdy nestane černou dírou, na to nemá dostatečnou hmotnost. Ale hvězda, která má minimálně ten desetinásobek hmotnosti Slunce, tak v závěru svého života, kdy v jádře přestanou běžet fúzní akce, se začne gravitačně smršťovat. A to právě způsobí, že se velmi zvyšuje její hustota a tím pádem se zvyšuje i gravitační síla, kterou působí na okolí. A gravitační kolaps se nezastaví, jako třeba, když vzniká neutronová hvězda, ale pokračuje pořád dál až z toho vznikne černá díra.

Kolik jich je asi v naší galaxii? A vůbec celkově? Podle toho asi, kolik je galaxií.
Ano, to jsou naprosto astronomická, nepředstavitelná čísla. Protože v naší galaxii je zhruba 100 miliard hvězd a přibližně jedna z 1000 má dostatečnou hmotnost na to, aby se mohla stát černou dírou. Bavíme se tedy zhruba o nějaké stovce milionů jen v naší galaxii. A kolik je galaxií ve vesmíru, rozumné odhady jsou také kolem stovky miliard. Takže černých děr je strašně mnoho. A teď už je poměrně dobře známo, že ve středu většiny galaxií je právě nějaká supermasivní černá díra.

RNDr. Jan Šlégr, Ph.D. ve studiu Českého rozhlasu Hradec Králové spolu s Jakubem Schmidtem

A to je ta, o které jsme mluvili na začátku.
Ano, to ona. Je ve středu naší galaxie a má hmotnost kolem 3, 4 milionů hmotností našeho Slunce.

Já ještě dodám, že je v souhvězdí Střelce a jmenuje se Sagittarius.
Sagittarius a hvězdička.

Hezká hvězdička nakonec. Moc děkuji za dnešní povídání doktoru RNDr. Janovi Šlégrovi, Ph.D. z katedry fyziky Přírodovědecké fakulty Univerzity Hradec Králové. Bylo to moc zajímavé, zase jste nám toho hodně vysvětlil.
Děkuji za pozvání a pěkný den. Na shledanou.

Spustit audio

Související