Jak vlastně vznikají černé díry?

Nebojte se, tento článek nebude ani o státním rozpočtu, státních zakázkách, ani o hospodaření krajů. Bude zase o fyzice.

Kolegyně blogerka Moudrá začala publikovat sérii moc hezkých článků o černých dírách. Osobně se mi články líbí a pokud mám nějaké výhrady, není to vůči autorce, ale vůči černým děrám samotným. Aniž bych tedy vyčkával dalšího pokračování seriálu, chtěl bych zde trochu rozvinout ono líčení kolegyně Moudré, kde barvitě popisuje, jak taková černá díra vznikne.

Shrnu stručně základní myšlenku vzniku černé díry. Musíme začít už u velkého třesku. Krátce po něm existuje, zjednodušeně řečeno, veškerá hmota pouze ve formě vodíkových atomů volně rozptýlených po prostoru ve formě plynu. Vlivem nepatrných poruch v počátečním homogenním rozložení hmoty se začne projevovat gravitace, která postupně vytvoří vesmírné objekty - hvězdy a galaxie. Zárodky hvězd narostou do takových rozměrů, kolik volného smetí dokáží během své existence pochytat. Pokud to nějaká hvězda přežene a pochytá smetí příliš, nezvládne svoji vlastní gravitaci a zhroutí se do objektu zvaného černá díra.

Zní to prostě a uvěřitelně, a Einsteinova obecná teorie relativity dává takovýmto objektům teoretický prostor. Jenže čtením různé odborné i neodborné literatury dospívám k závěru, že i pro vědce je tento útvar poněkud nehezký. Má úplně jiné vlastnosti "zevnitř", a jiné "zvenku". Má horizont událostí, za kterým nikdo nedokáže říct, co se vlastně děje. Malá pozornost se pak obvykle věnuje problému, jak rychle vlastně takový útvar může vzniknout. A na tuto otázku bych rád odpověděl v tomto článku.

Konkrétně nás tedy zajímá, co se bude dít, když budeme pozorovat hvězdu, která už je hodně napapaná a teď najednou spapá to nadkritické množství kosmického smetí a počne její anabáze gravitačního hroucení. Abychom na toto dokázali odpovědět, představme si černou díru již hotovou a zkoumejme, jak rychle do ní "spadne" cizí těleso. Na tuto otázku je poměrně snadné najít odpověď v odborné literatuře. Vzorce vycházejí z tzv. Schwarzschildovy metriky. Pokud těleso padá volným pádem do černé díry, liší se hodně to, co pozoruje padající pozorovatel od toho, co pozoruje někdo jiný z "bezpečné" vzdálenosti.

Zatímco padající pozorovatel pronikne poměrně rychle Schwarzschildovým poloměrem (pro něj ostatně tato hodnota nepředstavuje žádnou významnou hranici) a pokračuje dál, až v konečném čase dosáhne singularity ve středu černé díry, pozorovatel venku vidí něco jiného. Ten vidí, jak se padající soustava přibližuje okraji černé díry, ale kupodivu, jak se blíží blíž a blíž, rychlost jejího padání se zpomaluje. Je to způsobeno tím, že v okolí černé díry se silně zpomaluje chod času, až se na úrovní Schwarzschildova poloměru úplně zastaví. Pozorovatel tedy vidí padajícího kolegu padat čím dál pomaleji a dosáhnout okraje černé díry ho nikdy neuvidí. Toto není žádná moje spekulace, ale prostý fakt, který vychází z rovnic. Doba pádu předmětu k okraji černé díry je z hlediska pozorovatele v nekonečnu (ale tím pádem i v okolí tělesa s nějakou směšnou gravitací, jako je Země) nekonečná.

Tak to je prosím první závažný důsledek - pozorovatel na Zemi nikdy nemůže vidět těleso "spadnout" do černé díry. Není na to dostatek času. Pokud vám někdo tvrdí, že viděl hvězdu, kterou "právě sežrala černá díra" (jak jsem minulý týden četl, že toto vědci prý pozorovali), tak vám bezostyšně lže. Nic takového není možné.

No a teď jsme již dostatečně teoreticky vyzbrojeni na to, abychom se blíže podívali na samotný proces vzniku černé díry. Je to prosté, samotné "padání" povrchu hvězdy sama do sebe se totiž nijak neliší od padání cizího tělesa do již hotové černé díry - nanejvýš bude celý proces o něco pomalejší, protože síly mezi částicemi budou klást trochu odpor. Rozhodně proces hroucení nebude rychlejší než proces padání cizího tělesa.

Představme si tedy, že jsme dlouhověcí pozorovatelé, kterým se právě podařilo objevit přežranou hvězdičku někde docela blízko nás a teď právě jsme měli štěstí, že spapala kolem prolétající kometku a stala se úplně přežranou. Hvězda se začíná bortit do sebe a její povrch se začíná zmenšovat. Syntézou atomových jader silně září. Jak se dále hroutí do neutronové hvězdy, začne málo pochopitelnými fyzikálními jevy zářit v tvrdém spektru, ale na druhou stranu se už znatelně začíná zpomalovat chod času na jejím povrchu, což vyzářené spektrum zase poněkud změkčuje.

Jak pokračuje gravitační hroucení, zpomalování času "změkčuje" vyzářené vlny postupně k červené části spektra až přejde do rádiových vln. Spolu s tímto jevem se rychlost hroucení začíná citelně zpomalovat. Po nějaké, už docela dlouhé době (ještě, že jsme dlouhověcí) mají už vyzářené vlny tak velkou délku, že nám zmizí i z rozhlasového spektra. Postupem času je hvězda navenek úplně černá, ale ještě to není černá díra. Pořád si totiž na ní můžeme "posvítit" a světlo se od ní odrazí a unikne zpět k nám. Z jejího pohledu si na ní sice svítíme neskutečně silně energetickým zářením (byť jsme použili žárovku z klukovy stolní lampičky), ale k nám se vrátí zase zpět naše normální světlo.

No a v této fázi již zůstaneme. Hvězda je černá, protože fyzikální pochody v jejím nitru už nedokáží vyprodukovat záření o dostatečné energii, která by se k nám díky gravitační dilataci času dostalo v nějaké detekovatelné formě, ale přesto tam je a visí na věky věků těsně nad svým Schwarzschildovým poloměrem. Do černé díry se nikdy nezhroutí, leda že by na to měla nekonečně dlouhou dobu.

Co tedy říct o existenci černých děr? Pokud opravdu existují, jak tvrdí vědci, a my je dokážeme "pozorovat" - tedy nějakým způsobem detekovat, pak tím vědci nutně implikují, že vesmír je nekonečně starý. Protože toto ale vědci kategoricky popírají a tvrdí, že vesmír vznikl velkým třeskem z ničeho a to před konečně dlouhou dobou, nutně z toho plyne implikace, že černé díry nemohou v tomto vesmíru existovat. Tak mám zase jednou pocit, že nás někdo vodí za nos.

Příklady a cvičení

A na závěr dám pozorným čtenářům pár příkladů k promyšlení.

1. Paradox dvojčat na druhou

Dvojče Petr se jednoho dne rozhodne, že se zaletí podívat za kámošem do sousední galaxie. Aby svého již tak dost starého bratra Pavla netrápil tím, že se vrátí zase o mnoho let mladší, hodlá využít nejmodernější technologie přesunu v prostoru pomocí červí díry. To je v podstatě naše lokální černá díra na Ruzyni spárovaná s obdobným zařízením na spřátelené bratrské planetě v galaxii M31. Nebudu vás trápit počítáním, jak moc Petr během své cesty zestárne. Bohatě stačí, když napíšete, jak dlouhá doba uplyne na Zemi, než se Petr vrátí. (Nápověda: 4x nekonečno = nekonečno)

2. Pád do tmavé díry

Vysvětlili jsme si, že černé díry nemohou pro nás existovat, nicméně mohou existovat tělesa zhroucená těsně nad svým Schwarzschildovým poloměrem. Budu jim pracovně říkat tmavé díry ^*, protože sice už nejsou vidět, ale za předpokladu, že světlo má v jejich blízkosti hodně krátkou vlnovou délku, může z jejich dosahu uniknout jako hodně dlouhá vlna. Pokud se vědec rozhodne, že prozkoumá problematiku tmavých a černých děr s nasazením vlastního života a do jedné takové tmavé díry skočí, co uvidí? Jak se plynutí jeho času bude postupně přibližovat plynutí času na povrchu tmavé díry, uvidí, jak se tato přemění v černou díru, nebo si stejně o tmavou díru rozplácne nos dřív, než její povrch zmizí za horizontem událostí? A jak celou událost popíše jeho kolega, který to divadlo pozoroval z bezpečné vzdálenosti?

^* V literatuře se tento objekt někdy označuje jako "zamrzlá hvězda". (Tím chci mimochodem naznačit, že vím, že se problémem zde popsaným již vědci zabývali. Nicméně nikde jsem nenašel, jak to vyřešili.)