Svět čeká na tajemství černé díry

Vědci sdružení v projektu Event Horizon Telescope (Teleskop horizontu událostí) oznámili na středu průlomovou událost. Před dvěma roky se pokusili pořídit historicky první snímek černé díry a jejího okolí, od té doby zpracovávali naměřená data – a v 15 hodin oznámí výsledek. Tisková konference bude probíhat současně v Bruselu a pěti dalších městech světa. Pro nedočkavé zatím odemykáme článek, který o tomto projektu pro Respekt napsal astrofyzik Vojtěch Witzany: „Najdeme ve vírech plazmatu černou díru i s tajemstvími, která ji
obklopují, nebo budeme mít smůlu a z dat se vynoří jen neurčité šmouhy? Nechme se překvapit,“ píše. O překvapení nejspíš nebude nouze a budeme vás o nich informovat.

Začátek roky plánované operace: Desítky vědců napříč kontinenty nasedají do letadel, vlaků a autobusů, aby se dopravili do míst, jako je poušť Atacama v Chile, pohoří Sierra Nevada ve Španělsku, vrchol vyhaslé sopky na Havaji nebo srdce mrazivé pustiny na jižním pólu. Koordinátoři celého úsilí musí poté být na telefonu 24 hodin denně. S napětím sledují každý mráček a poryv větru, který by mohl narušit jejich plány. Když pět dní a nocí synchronizovaného globálního pozorování skončí, naloží vědci pevné disky plné petabajtů dat do letadel a odešlou je ke zpracování do dvou center, jednoho v německém Bonnu, druhého ve vědeckém institutu uprostřed lesů severozápadně od amerického Bostonu.

Zní to možná jako začátek nejnovějšího konspiračního románu Dana Browna, ve skutečnosti však jde o ambiciózní mezinárodní projekt známý pod jménem Event Horizon Telescope (Teleskop horizontu událostí). Pozorování se uskutečnilo začátkem dubna a na výsledky si budeme muset ještě počkat; pokud by se však vše zdařilo, získali bychom vůbec první fotografie černých děr, záhadných temných objektů, jejichž existenci předpovídá Einsteinova obecná teorie relativity.

Zatím takové snímky nemáme. Černé díry v našem okolí jsou vesměs buď moc malé, nebo moc daleko, a rozlišení stávajících dalekohledů k jejich přímému pozorování nestačí. Astronomové odhadli, že abychom černé díry zobrazili, museli bychom postavit teleskop o poloměru větším, než je poloměr naší planety.

Zdánlivě bláhový sen – německý astrofyzik Heino Falcke se však nenechal odradit. Ke konci devadesátých let ukázal, že černou díru lze spatřit i bez gigantického dalekohledu. Obraz totiž můžeme zrekonstruovat chytrou kombinací synchronizovaných pozorování z různých bodů na povrchu celé Země. Myšlenku nakonec vzala za svou široká mezinárodní komunita vědců, a tak vznikl i Event Horizon Telescope. Pomocí tohoto virtuálního dalekohledu chceme nahlédnout do míst, kam se ještě nikdo nepodíval, do jader galaxií, a spatřit zde obří černé díry – objekty příliš hmotné na to, aby z nich cokoli včetně světla mohlo uniknout.

Není ale existence černých děr už dávno jasná, ověřená věc? Možná, přímý důkaz však schází. Dubnové pozorování nenabídne ani v případě úspěchu o mnoho víc než snímek „rozmazané tečky“ na místě černé díry, získaný navíc nikoli pomocí viditelného světla, ale rádiových vln. Zobrazení této „černé šmouhy“ a toho, co se děje v jejím okolí, by však bylo milníkem v našem poznávání vesmíru.

Hrozivá bariéra

Když Albert Einstein publikoval v roce 1915 svoji teorii gravitace, obecnou teorii relativity, myslel si, že její rovnice nikdo nikdy přesně nevyřeší. O pár měsíců později však dostal dopis z ruské fronty od jistého Karla Schwarzschilda, který nejenže mezi střelbou a rachotem první světové války jeho teorii rychle pochopil, ale dokonce našel i matematické řešení pro vnější gravitační pole kulové hvězdy. Toto řešení však naznačovalo, že pokud hvězdu stlačíme pod určitý poloměr, který dnes nazýváme Schwarzschildův, začnou se dít prapodivné věci. Z hvězdy se stane něco, čemu dnes říkáme černá díra.

V čistě matematickém popisu, který Schwarzschild našel, ale horizont vypadal jako hrozivá neprostupná bariéra, na které formálně ustrne jakýkoli pohyb – bariéra, na které jako kdyby „zamrzl čas“. I proto se téměř celá komunita vědců pracující na dané teorii včetně samého Einsteina shodla, že v přírodě si hvězda vždycky najde způsob, jak se stlačení pod Schwarzschildův poloměr vyhnout.

Trvalo více než dvacet let, než nová generace fyziků začala nabourávat předsudky svých předchůdců. Jedním z nich byl teprve pětadvacetiletý indický astrofyzik Subrahmanyan Chandrasekhar, který ve třicátých letech studoval vývoj a skon hvězd. Spolu s dalšími ukázal, že dohoří-li hvězda, která po sobě zanechá zbytkový objekt těžší než čtyři hmotnosti Slunce, neexistuje žádný známý mechanismus, jenž by zabránil úplnému gravitačnímu zhroucení tohoto „oharku“ v černou díru (více v rámečku Tajemství vyhaslých hvězd). Jestliže tedy někde na obloze najdeme temné kompaktní těleso, jehož hmotnost čtyřikrát převýší hmotnost Slunce, je to nejspíš právě černá díra.

Odhadujeme, že takových objektů jsou miliony jen v naší galaxii, a o existenci některých z nich máme nepřímé důkazy. Hmotnost známe alespoň u dvaceti z nich. Jinými slovy, nepřímo jsme již pozorovali přes dvacet konkrétních černých děr tohoto typu – odhalili jsme je studiem jejich vlivu na své okolí. Asi není nutné dále vysvětlovat, proč Chadrasekhar v roce 1983 dostal za zmíněnou práci Nobelovu cenu za fyziku.

Kobliha na povrchu Měsíce

Zhroucení hvězdy je však jen jeden ze způsobů, jakým se rodí černé díry. Řada dnes již prastarých černých děr vznikla jinak – v raném vesmíru. V hustém nerozmělněném prostředí brzo po velkém třesku totiž bylo o mnoho jednodušší nasbírat dostatek hmoty k rychlému gravitačnímu zhroucení. Tyto „rané“ černé díry se staly ohnisky galaxií, které pak temný objekt ve svém středu po miliardy let krmily hvězdami a dalším materiálem. Galaktické černé díry jsou proto obvykle mnohamilionkrát hmotnější než Slunce. Jejich studium však komplikuje skutečnost, že v centrech galaxií je poněkud rušno – zaplňují je hvězdy, prach a plyn, které pohled na černou díru zakrývají.

Tím se dostáváme zpět k dubnovému pozorování. Aby měl Event Horizon Telescope alespoň nějakou šanci uspět, musel se zaměřit na pouhé dvě černé díry právě ve středech galaxií. První z nich je „poblíž“, pouhých dvacet šest tisíc světelných let daleko, v centru naší domovské Mléčné dráhy. Druhá pozorovatelná černá díra je sice tisíckrát větší, zato přes padesát milionů světelných let od Země – najdeme ji v centru jedné z galaxií v souhvězdí Panny. Na obloze jsou obě černé díry nepatrné, z našeho pohledu se jeví asi tak veliké jako kobliha položená na povrch Měsíce.

Z galaktických černých děr máme nejlepší výhled na okolí té v Mléčné dráze, a právě o její existenci jsme získali z vesmírného kontextu nejpřesvědčivější doklady. Po více než dvacet let totiž sledujeme hvězdy, které okolo centra naší galaxie prolétávají, a z gravitačního zakřivování jejich drah jsme schopni odvodit hmotnost a velikost centrálního objektu. Vychází přitom hmotnost tak olbřímí a stlačená v objemu tak malém, že to prostě nemůže být žádný normální objekt. Stále sice zůstává jistý prostor pro pochybnosti, ale některé z blízkých průletů hvězd okolo galaktického centra jsou pro černou díru důkazy tak usvědčující, jako když potkáte jednoho z podezřelých, jak kráčí z místa zločinu s ještě doutnající pistolí v ruce.

Přesto není existence černých děr nepopiratelné dogma. Existují například spekulativní modely, kde v roli temného kolosu v centru galaxie vystupuje nesmírně těžký a nepředstavitelně stlačený oblak zcela nového druhu hmoty. Podobné scénáře nicméně přinášejí různé komplikace a vyžadují přidání nových prvků ke známým přírodním zákonům. Černá díra v podobě, v jaké si ji představoval třeba S. Chandrasekhar, se jeví jako mnohem pravděpodobnější vysvětlení.

Mejdan v souhvězdí Panny

Jeho pravdivost má definitivně prokázat právě Event Horizon Telescope. Měl by nabídnout jasný důkaz, podobně jako když Hercule Poirot nebo Sherlock Holmes pozvou v poslední části detektivního příběhu podezřelé po večeři do salonku a přímo před očima všech aktérů vyprovokují vraha k doznání.

Na snímku vytvořeném ze získaných dat bychom měli vidět záření horkého plazmatu, které okolo černé díry krouží. Černá díra sama o sobě nesvítí, naopak světlo pohlcuje; její přítomnost by však měla být zřejmá z toho, že záření na některých částech snímku prostě chybí (viz obrázek Černá díra v galaxii M87 na předchozí stránce).

Když se ale zeptáte samotných astrofyziků, co je bude na obrázcích skutečně zajímat, řeknou vám, že vlastně všechno kromě „černé tečky“ uprostřed. Například galaktické centrum v souhvězdí Panny chrlí téměř světelnou rychlostí do okolního prostoru soustředěné výtrysky hmoty, které se nerozplynou a nezpomalí ani po tisícovkách let průletu vesmírem. Je tento výtrysk z normální hmoty, nebo z nějakých podivných částic? Co udržuje paprsek hmoty tak soustředěný a kde se vůbec u černé díry bere? V některých scénářích vzniká výtrysk tak nějak „normálně“ z okolního plazmatu, v jiných ale energii výtrysku pumpuje magnetické pole přímo z černé díry.

Podobně nás zajímá, proč je černá díra v naší galaxii tak „potichu“, zatímco ta v souhvězdí Panny pořádá elektro-
magnetický večírek, září urputně na všech možných vlnových délkách. Jak a kdy se tento galaktický mejdan zapíná a vypíná? Odpovědi na tyto a další otázky nám nakonec pomohou lépe pochopit vývoj galaxií, a tudíž i celého vesmíru. I proto doprovázela primární akci Event Horizon Telescope ještě řada dalších pozorování mapujících širší okolí černé díry na různých vlnových délkách – to vše již bez ohledu na „černou tečku“.

Data z dubnové akce astronomové nyní analyzují, ale ještě zhruba rok potrvá, než práci dokončí a seznámí s jejími výsledky veřejnost. Najdeme tedy ve vírech plazmatu černou díru i s tajemstvími, která ji obklopují, nebo budeme mít smůlu a z dat se vynoří jen neurčité šmouhy? Nechme se překvapit.

Autor studuje teoretickou fyziku na Univerzitě v Brémách.

Kolem černých děr

Nejdůležitější vlastností černých děr je horizont událostí. Jeho překročení a následný nezadržitelný pád do nitra černé díry připomínají cestu výpustí rybníka z pohledu ryb: Když ryba pluje blíž a blíž k výpusti, vlastně si ani nevšimne bodu, kdy už by silnější a silnější proud při pokusu o úprk nepřemohla. Jakmile jej překročí, je její osud zpečetěn.

Od sedmdesátých let 20. století máme nepřímé důkazy o existenci černých děr. Nejsilnějším je pozorování gravitačních vln vzniklých po srážce dvou černých děr, ohlášené v minulém roce v rámci projektu LIGO (viz Respekt 07/2017).

Event Horizon Telescope je mezinárodní projekt s přispěním zejména amerických, evropských a japonských vědců. Využívá v současnosti šest observatoří na povrchu Země, z kontinentů chybí Afrika a Asie. Pozorování provádí na rádiových vlnových délkách a k rekonstrukci obrazu černé díry používá techniku zvanou interferometrie.

Tajemství vyhaslých hvězd

Aby hvězda udržela vnitřní tlak bránící jejímu zhroucení, musí v jejím středu probíhat jaderná fúze. Když fúze dohoří, nastává krize a zdrojem tlaku se mohou stát už jen fundamentální kvantové principy. Vyhořelé hvězdy pak udržuje při životě jen neochota částic sdílet s dalšími částicemi menší a menší objem. Mnoho vědců původně věřilo, že obdobné principy zabrání úplnému gravitačnímu kolapsu jakéhokoli objektu.

Mladý S. Chandrasekhar však podmínky uvnitř vyhořelých hvězd pečlivě propočítal a na rozdíl od ostatních vzal vážně výsledek: existuje kritická hmotnost, dnes známá jako Chandrasekharova mez, kde ani vlastnosti mikrosvěta (kvantový tlak elektronů nebo neutronů proti gravitaci) prostě nestačí a zhroucení hvězdy nezabrání. Když pak další vědci dotlačili teorii až na úplnou dřeň, na úplnou hranici toho, co je fyzikálně přípustné, ukázali, že nikdy nevyrobíme stabilní vyhaslou hvězdu těžší než troj- nebo čtyřnásobek hmotnosti Slunce.