Jak vypadají černé díry a proč jsou to nejjasnější objekty vesmíru

Odpovědi na proč a jak funguje vesmír. Psáno pro Tima, mého syna, ale určitě si to rádi přečtou i jiní.

Drahý Time,

ve článku  z minulého týdne, který byl o životě a umírání hvězd, Tě velmi zaujaly černé díry. Objekty kde se prostor a čas natolik zakřiví, že z něj nevyletí ani světlo. Tak se na to pojďme podívat, jako obvykle je skutečnost mnohem fantastičtější než naše představy.

Není díra jako díra

V podstatě je to jednoduché. Když máš dost síly na to, abys jsi určitou hmotu stlačil tak, že její rozměr bude menší než Schwarzschildův poloměr, tak vyrobíš černou díru.  Schwarzschildův se mu říká  podle fyzika, který jej odvodil už v roce 1916. Ve vesmíru se o to obvykle postará gravitace dostatečně hmotného tělesa, zde na Zemi by to mohl udělat i dostatečně silný urychlovač. Nebo velký lis. Kdybys chtěl vyrobit černou díru, nebo jinak řečeno singularitu,  třeba z naší planety, musel by si ji slisovat na velikost pouhých 9 mm. U Slunce to jsou 3 kilometry. Při spuštění LHC se lidé obávali, že vytvoří miniaturní černou díru, která postupně spolkne Zemi. Teoreticky je možné, že by při různých vysokoenergetických srážkách něco takového vzniklo, ale bylo by to tak malé, že by se to vypařilo dříve než by to dokázalo cokoliv slupnout.

Ano, čteš to dobře, vypařilo se. Černé díry se totiž vypařují. Přišel na to jeden z největších současných fyziků, Stephen Hawking a daný proces dostal po něm jméno jako Hawkingovo záření. Jako obvykle musíme zavítat do hájemství kvantové fyziky. Vakuum není ve skutečnosti prázdné, mohou v něm vznikat páry částic a antičástic, které se vzápětí anihilují a zase zaniknou. Ale poblíž černé díry tomu může být jinak. Jedna z částic páru může získat dostatečnou energii, aby odletěla do vesmíru, zatímco druhá se poslušně nechá pohltit singularitou. Pokud tomu dáš dost času, vypaří se každá černá díra, čím bude menší, tím rychleji se bude vypařovat. Konkrétně u 9mm velké singularity ze Země by to trvalo 10 na 66 let.

Po vesmíru se potuluje celá řada různých černých děr. Dost se spekuluje o tzv. primordiálních černých dírách, které měly vzniknout po velkém třesku, ale zatím se nám nepovedlo žádnou takovou najít. Potom jsou to černé díry hvězdné velikosti, tedy takové, která za svého zářícího života byly hvězdnými obry nebo veleobry. Ty potom tráví věčnost jako singularity. Jestli jsme si stěží dokázali představit velikosti hvězdných obrů o hmotnosti více jak pěti Sluncí, těžko si představíme gargantuovské objekty o hmotnosti jednotek, ale i stovek miliónů Sluncí, které sedí v centrech galaxií.

Sagittaruis A*

Naše Galaxie samozřejmě není výjimkou. Uprostřed ní, z našeho pohledu v souhvězdí Střelce (latinsky Sagittarius) se uhnízdil bumbrlík o hmotnosti přibližně 3,7 miliónů Sluncí. Schwarzschildův poloměr Sag A* je okolo 13 miliónů kilometrů. A pořád se krmí. Kolem černé díry se vytvořil akreční disk prachu a plynu, který rotuje kolem singularity a postupně do ní padá. Gravitační pole černé díry způsobuje, že plyn se třením zahřívá a začíná potom zářit. A kde je tření, tam je elektrostatika ataky magnetismus. Gigantická síla černé díry se projevuje i gigantickým magnetickým polem v jejím okolí. A díky tomu celý objekt, díra i s okolním akrečním diskem září i v rentgenovém spektru (synchrotronní záření a inverzní Comptonův jev). Sag A* na nás takto pomrkává každých 17 až 22 minut.

Ale to není všechno. Magnetické pole vytváří ve směru osy dvě magnetické trubice, vytvořené ze zkroucených siločar. Do těchto trubic potom magnetické pole nažene část hmoty, kterou tak zachrání před pádem do singularity. A nejen to, díky tomu, že černé díře magnetické pole odebere trošku z jejího rotačního momentu (Blanfordův-Znajekův mechanizmus), tak tyto částice urychlí blízko k rychlosti světla a vytváří tak dva charakteristické jety částic nad a pod rovinku ekliptiky naší Galaxie a to na stovky světelných let daleko. A nemusím zmiňovat, že tyto výtrysky opět velice silně září. Takže v důsledku gigantické gravitační pole objektu, který je zhroucen sám do sebe a pohltí všechno včetně světla, tak toto pole z něj dělá nejzářivější objekt ve vesmíru. Ale jenom do té doby, dokud má otesánek co papat.

Tady máš obrázek toho, jak bys mohl černou díru vidět, kdybys měl kosmickou loď a přiletěl k ní nablízko. Všimni si, že tu funguje obecná relativita, když vidíš díky zakřivení časoporostoru nad a pod singularitou akreční disk, který je z Tvého pohledu za ní.

Hvězdné černé díry - Cyg X1

Jako první jsme objevili právě černou díru v souhvězdí Labutě, proto je to Cyg X1. Původně jsme jej v roce 1964 lokalizovali jako silný rentgenový zdroj, proto to označení X1. Ale až v roce 1971 byl tento zdroj určen jako černá díra o hmotnosti asi osmi Sluncí. Objekt se nachází asi šest tisíc světelných let daleko od nás a je součástí binárního systému, kdy druhou složkou je modrý obr. Právě z něj čerpá singularita hmotu do svého akrečního disku a jsou pozorovány  charakteristické jety na obou pólech, jako je tu u galaktické černé díry, tady je pěkná vizualizace od ESA:

Hvězdných černých děr je v naší Galaxii spousta, jenom v okolí centrální oblasti, kde je dost hmoty pro jejich výživu se podle odhadů má vyskytovat 10 až 20 tisíc těchto objektů. Vědci též pozorovali hvězdy třídy S1, které v podstatě s centrální černou dírou tvoří hvězdokupu a z jejich oběžných drah odvodili, že Gargantua v centru jenom mírně rotuje. Ale existují i singularity, které naopak rotují velmi svižně a podle posledních výzkumů jich má býti většina. Většinou je to díky tomu, že se hvězda, ze které vznikly, před svou gravitační smrtí točila jako čamrda a mohla se dokonce i výrazně zploštit nebo ji mohla odstředivá síla rozervat. Ale gravitace stejně zvítězila a výsledkem je rotujícím černá díra, které  se říká Kerrova. Její fyzika je ještě extrémnější než u Schwarchildových děr, ale o tom možná někdy příště, v samostatném článku, pokud budeš mít zájem.