Žijeme uvnitř černé díry? Struktura a život vesmíru Vesmír se nachází v černé díře.
S. TRANKOVSKÝ
Mezi nejdůležitější a nejzajímavější problémy moderní fyziky a astrofyziky jmenoval akademik V. L. Ginzburg otázky související s černými dírami (viz „Věda a život“ č. 11, 12, 1999). Existence těchto podivných objektů byla předpovězena již před více než dvěma sty lety, podmínky vedoucí k jejich vzniku byly přesně spočítány na konci 30. let 20. století a astrofyzika se jimi začala vážně zabývat před necelými čtyřiceti lety. Dnes vědecké časopisy po celém světě každoročně publikují tisíce článků o černých dírách.
Ke vzniku černé díry může dojít třemi způsoby.
Tak je zvykem zobrazovat procesy probíhající v blízkosti hroutící se černé díry. V průběhu času (Y) se prostor (X) kolem něj (zastíněná oblast) zmenšuje a spěchá směrem k singularitě.
Gravitační pole černé díry vnáší do geometrie prostoru vážné deformace.
Černá díra, dalekohledem neviditelná, se odhaluje pouze svým gravitačním vlivem.
V silném gravitačním poli černé díry se rodí páry částice-antičástice.
Zrození páru částice-antičástice v laboratoři.
JAK VZNIKAJÍ
Svítící nebeské těleso, které má hustotu stejnou jako Země a průměr dvě stě padesátkrát větší než průměr Slunce, díky síle své gravitace nedovolí svému světlu, aby se k nám dostalo. Je tedy možné, že největší svítící tělesa ve Vesmíru zůstanou neviditelná právě kvůli své velikosti.
Pierre Simon Laplace.
Expozice světového systému. 1796
V roce 1783 provedl anglický matematik John Mitchell a o třináct let později nezávisle na něm francouzský astronom a matematik Pierre Simon Laplace velmi zvláštní studii. Podívali se na podmínky, za kterých by světlo nemohlo uniknout hvězdě.
Logika vědců byla jednoduchá. Pro jakýkoli astronomický objekt (planetu nebo hvězdu) je možné vypočítat tzv. únikovou rychlost neboli druhou kosmickou rychlost, která umožňuje jakémukoli tělesu či částici jej navždy opustit. A ve fyzice té doby kralovala Newtonova teorie, podle níž je světlo tok částic (teorie elektromagnetických vln a kvant byla ještě téměř sto padesát let vzdálena). Únikovou rychlost částic lze vypočítat na základě rovnosti potenciální energie na povrchu planety a kinetické energie tělesa, které „uniklo“ do nekonečně velké vzdálenosti. Tato rychlost je určena vzorcem #1#
Kde M- hmotnost vesmírného objektu, R- jeho poloměr, G- gravitační konstanta.
Z toho můžeme snadno získat poloměr tělesa o dané hmotnosti (později nazývaný „gravitační poloměr“ r g"), při které se úniková rychlost rovná rychlosti světla:
To znamená, že hvězda stlačená do koule o poloměru r G< 2GM/C 2 přestane vyzařovat - světlo jej nebude moci opustit. Ve vesmíru se objeví černá díra.
Je snadné spočítat, že Slunce (jeho hmotnost je 2,1033 g) se změní v černou díru, pokud se smrští na poloměr přibližně 3 kilometrů. Hustota jeho látky dosáhne 10 16 g/cm 3 . Poloměr Země stlačený do černé díry by se zmenšil asi na jeden centimetr.
Zdálo se neuvěřitelné, že v přírodě mohou existovat síly schopné stlačit hvězdu na tak nepatrnou velikost. Proto byly závěry z prací Mitchella a Laplacea více než sto let považovány za něco jako matematický paradox, který neměl žádný fyzikální význam.
Přísný matematický důkaz, že takový exotický objekt ve vesmíru byl možný, byl získán teprve v roce 1916. Německý astronom Karl Schwarzschild po analýze rovnic obecné teorie relativity Alberta Einsteina dospěl k zajímavému výsledku. Poté, co studoval pohyb částice v gravitačním poli masivního tělesa, dospěl k závěru: rovnice ztrácí svůj fyzikální význam (její řešení se mění v nekonečno), když r= 0 a r = r G.
Body, ve kterých vlastnosti pole ztrácí smysl, se nazývají singulární, tedy zvláštní. Singularita v nulovém bodě odráží bodovou, nebo, což je totéž, středově symetrickou strukturu pole (ostatně každé kulové těleso - hvězdu nebo planetu - lze znázornit jako hmotný bod). A body umístěné na kulové ploše s poloměrem r g, tvoří samotný povrch, ze kterého se úniková rychlost rovná rychlosti světla. V obecné teorii relativity se nazývá Schwarzschildova singulární sféra nebo horizont událostí (proč bude zřejmé později).
Již na příkladu nám známých objektů – Země a Slunce – je zřejmé, že černé díry jsou velmi zvláštní objekty. I astronomové, kteří se zabývají hmotou při extrémních hodnotách teploty, hustoty a tlaku, je považují za velmi exotické a až donedávna v jejich existenci všichni nevěřili. První náznaky možnosti vzniku černých děr však obsahovala již obecná teorie relativity A. Einsteina, vytvořená v roce 1915. Anglický astronom Arthur Eddington, jeden z prvních vykladačů a popularizátorů teorie relativity, odvodil ve 30. letech soustavu rovnic popisujících vnitřní strukturu hvězd. Vyplývá z nich, že hvězda je v rovnováze vlivem opačně směrovaných gravitačních sil a vnitřního tlaku vzniklého pohybem částic horkého plazmatu uvnitř hvězdy a tlakem záření vznikajícího v jejích hloubkách. To znamená, že hvězda je plynová koule, v jejímž středu je vysoká teplota, směrem k periferii postupně klesající. Z rovnic zejména vyplynulo, že povrchová teplota Slunce byla asi 5500 stupňů (což zcela odpovídalo údajům astronomických měření) a v jeho středu by měla být asi 10 milionů stupňů. To umožnilo Eddingtonovi učinit prorocký závěr: při této teplotě se „vznítí termonukleární reakce“, která postačuje k zajištění záře Slunce. Tehdejší atomoví fyzici s tím nesouhlasili. Zdálo se jim, že v hlubinách hvězdy je příliš „studeno“: teplota tam nestačila na to, aby reakce „přešla“. Na to rozzuřený teoretik odpověděl: "Hledejte teplejší místo!"
A nakonec se ukázalo, že měl pravdu: ve středu hvězdy skutečně probíhá termonukleární reakce (jiná věc je, že takzvaný „standardní solární model“, založený na představách o termojaderné fúzi, se zjevně ukázal jako být nesprávný – viz např. „Věda a život“ č. 2, 3, 2000). Ale přesto reakce ve středu hvězdy probíhá, hvězda svítí a vznikající záření ji udržuje ve stabilním stavu. Ale jaderné „palivo“ ve hvězdě shoří. Uvolňování energie se zastaví, záření zhasne a síla omezující gravitační přitažlivost zmizí. Existuje limit hmotnosti hvězdy, po kterém se hvězda začne nevratně zmenšovat. Výpočty ukazují, že k tomu dojde, pokud hmotnost hvězdy přesáhne dvě až tři hmotnosti Slunce.
GRAVITAČNÍ KOLAPS
Zpočátku je rychlost kontrakce hvězdy malá, ale její rychlost se neustále zvyšuje, protože gravitační síla je nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti. Komprese se stává nevratnou, neexistují žádné síly schopné působit proti vlastní gravitaci. Tento proces se nazývá gravitační kolaps. Rychlost pohybu obalu hvězdy směrem k jejímu středu se zvyšuje a blíží se rychlosti světla. A zde začínají hrát roli účinky teorie relativity.
Úniková rychlost byla vypočtena na základě Newtonových představ o povaze světla. Z hlediska obecné teorie relativity dochází k jevům v okolí kolabující hvězdy poněkud odlišně. V jeho mohutném gravitačním poli dochází k tzv. gravitačnímu rudému posuvu. To znamená, že frekvence záření přicházející z masivního objektu je posunuta směrem k nižším frekvencím. V limitu, na hranici Schwarzschildovy koule, se frekvence záření stává nulovou. To znamená, že pozorovatel, který se nachází mimo něj, nebude schopen zjistit nic o tom, co se děje uvnitř. Proto se Schwarzschildově kouli říká horizont událostí.
Ale snížení frekvence se rovná zpomalení času, a když frekvence klesne na nulu, čas se zastaví. To znamená, že vnější pozorovatel uvidí velmi podivný obrázek: obal hvězdy, padající s rostoucím zrychlením, se zastaví, místo aby dosáhl rychlosti světla. Z jeho pohledu se komprese zastaví, jakmile se velikost hvězdy přiblíží gravitaci
usu. Nikdy neuvidí ani jednu částici „potopit se“ pod Schwarzschielovou koulí. Ale pro hypotetického pozorovatele, který padá do černé díry, bude na jeho hodinkách během chvilky po všem. Doba gravitačního kolapsu hvězdy o velikosti Slunce tedy bude 29 minut a mnohem hustší a kompaktnější neutronová hvězda bude trvat pouze 1/20 000 sekundy. A zde čelí potížím spojeným s geometrií časoprostoru poblíž černé díry.
Pozorovatel se ocitá v zakřiveném prostoru. V blízkosti gravitačního poloměru jsou gravitační síly nekonečně velké; natáhnou raketu s astronautem-pozorovatelem do nekonečně tenkého vlákna nekonečné délky. On sám si toho ale nevšimne: všechny jeho deformace budou odpovídat deformacím časoprostorových souřadnic. Tyto úvahy se samozřejmě vztahují k ideálnímu, hypotetickému případu. Jakékoli skutečné těleso bude roztrháno slapovými silami dlouho předtím, než se přiblíží ke Schwarzschildově sféře.
ROZMĚRY ČERNÝCH DÍR
Velikost černé díry, přesněji poloměr Schwarzschildovy koule, je úměrná hmotnosti hvězdy. A protože astrofyzika neklade na velikost hvězdy žádná omezení, může být černá díra libovolně velká. Vznikla-li např. při kolapsu hvězdy o hmotnosti 10 8 hmotností Slunce (nebo v důsledku sloučení statisíců, či dokonce milionů relativně malých hvězd), bude její poloměr asi 300 milionů kilometrů, dvojnásobek oběžné dráhy Země. A průměrná hustota látky takového obra se blíží hustotě vody.
Podle všeho se jedná o druhy černých děr, které se nacházejí v centrech galaxií. V každém případě dnes astronomové napočítají asi padesát galaxií, v jejichž středu se, soudě podle nepřímých důkazů (probráno níže), nacházejí černé díry o hmotnosti asi miliardy (10 9) Sluncí. Naše Galaxie má také zjevně svou vlastní černou díru; Jeho hmotnost byla odhadnuta poměrně přesně - 2,4. 10 6 ±10 % hmotnosti Slunce.
Teorie naznačuje, že spolu s takovými veleobry by se měly objevit i černé minidíry o hmotnosti asi 10 14 g a poloměru asi 10 -12 cm (velikost atomového jádra). Mohly se objevit v prvních okamžicích existence Vesmíru jako projev velmi silné nehomogenity časoprostoru s kolosální hustotou energie. Dnes si vědci uvědomují podmínky, které tehdy ve Vesmíru panovaly na silných urychlovačích (urychlovačích využívajících srážející se paprsky). Experimenty v CERNu začátkem tohoto roku vytvořily kvark-gluonové plazma, hmotu, která existovala před vznikem elementárních částic. Výzkum tohoto stavu hmoty pokračuje v Brookhavenu, americkém urychlovacím centru. Je schopen urychlit částice na energie o jeden a půl až dva řády vyšší než urychlovač v
CERN. Nadcházející experiment vyvolal vážné obavy: vytvoří miničernou díru, která ohne náš prostor a zničí Zemi?
Tento strach rezonoval tak silně, že americká vláda byla nucena svolat autoritativní komisi, aby tuto možnost prověřila. Komise složená z významných výzkumníků dospěla k závěru: energie urychlovače je příliš nízká na to, aby mohla vzniknout černá díra (tento experiment je popsán v časopise Science and Life, č. 3, 2000).
JAK VIDĚT NEVIDITELNÉ
Černé díry nevyzařují nic, dokonce ani světlo. Astronomové se je však naučili vidět, nebo spíše najít „kandidáty“ na tuto roli. Existují tři způsoby, jak detekovat černou díru.
1. Je potřeba sledovat rotaci hvězd v kupách kolem určitého těžiště. Pokud se ukáže, že v tomto středu nic není a zdá se, že hvězdy se točí kolem prázdného prostoru, můžeme s jistotou říci: v této „prázdnotě“ je černá díra. Právě na tomto základě byla předpokládána přítomnost černé díry ve středu naší Galaxie a odhadnuta její hmotnost.
2. Černá díra do sebe aktivně nasává hmotu z okolního prostoru. Mezihvězdný prach, plyn a hmota z blízkých hvězd na něj dopadají ve spirále a vytvářejí takzvaný akreční disk, podobný prstenci Saturnu. (To je právě strašák brookhavenského experimentu: miničerná díra, která se objevila v urychlovači, začne nasávat Zemi do sebe a tento proces nebylo možné zastavit žádnou silou.) Při přiblížení ke Schwarzschildově sféře částice zažívají zrychlení a začnou vyzařovat v oblasti rentgenového záření. Toto záření má charakteristické spektrum podobné dobře prozkoumanému záření částic urychlovaných v synchrotronu. A pokud takové záření pochází z nějaké oblasti vesmíru, můžeme s jistotou říci, že tam musí být černá díra.
3. Když se dvě černé díry spojí, dojde ke gravitačnímu záření. Je spočítáno, že pokud je hmotnost každého z nich asi deset hmotností Slunce, pak když se během několika hodin spojí, uvolní se ve formě gravitačních vln energie odpovídající 1 % jejich celkové hmotnosti. To je tisíckrát více než světlo, teplo a další energie, které Slunce vyzařovalo za celou dobu své existence – pět miliard let. Doufají, že zaznamenají gravitační záření pomocí observatoří gravitačních vln LIGO a dalších, které se nyní budují v Americe a Evropě za účasti ruských výzkumníků (viz „Věda a život“ č. 5, 2000).
A přesto, ačkoli astronomové nepochybují o existenci černých děr, nikdo si netroufá kategoricky tvrdit, že právě jedna z nich se nachází v daném bodě vesmíru. Vědecká etika a bezúhonnost výzkumníka vyžaduje na položenou otázku jednoznačnou odpověď, která netoleruje rozpory. Nestačí odhadnout hmotnost neviditelného předmětu, je třeba změřit jeho poloměr a ukázat, že nepřesahuje Schwarzschildův poloměr. A dokonce ani v naší Galaxii není tento problém zatím řešitelný. Proto vědci projevují jistou zdrženlivost při hlášení svého objevu a vědecké časopisy se doslova plní zprávami o teoretických pracích a pozorováních efektů, které mohou osvětlit jejich záhadu.
Černé díry však mají ještě jednu vlastnost, teoreticky předpovězenou, díky které by bylo možné je vidět. Ale pod jednou podmínkou: hmotnost černé díry by měla být mnohem menší než hmotnost Slunce.
ČERNÁ DÍRA MŮŽE BÝT TAKÉ „BÍLÁ“
Dlouhou dobu byly černé díry považovány za ztělesnění temnoty, objekty, které ve vakuu, při absenci absorpce hmoty, nic nevyzařují. V roce 1974 však slavný anglický teoretik Stephen Hawking ukázal, že černým dírám lze přiřadit teplotu, a proto by měly vyzařovat.
Podle konceptů kvantové mechaniky vakuum není prázdnota, ale jakási „pěna časoprostoru“, mišmaš virtuálních (v našem světě nepozorovatelných) částic. Fluktuace kvantové energie však mohou z vakua „vypudit“ pár částice-antičástice. Například při srážce dvou nebo tří gama kvant se jako ze vzduchu objeví elektron a pozitron. Tento a podobné jevy byly opakovaně pozorovány v laboratořích.
Právě kvantové fluktuace určují radiační procesy černých děr. Pokud dvojice částic s energiemi E A -E(celková energie páru je nulová) se vyskytuje v okolí Schwarzschildovy koule, další osud částic bude jiný. Mohou téměř okamžitě vyhladit nebo společně jít pod horizont událostí. V tomto případě se stav černé díry nezmění. Pokud se ale pod horizont dostane jen jedna částice, pozorovatel zaregistruje další a bude se mu zdát, že ji vytvořila černá díra. Zároveň černá díra, která energii absorbovala částici -E, sníží vaši energii a s energií E- se zvýší.
Hawking spočítal, s jakou rychlostí všechny tyto procesy probíhají, a dospěl k závěru: pravděpodobnost absorpce částic s negativní energií je vyšší. To znamená, že černá díra ztrácí energii a hmotu – vypařuje se. Navíc vyzařuje jako zcela černé těleso s teplotou T = 6 . 10 -8 M s / M kelvinů, kde M c - hmotnost Slunce (2,10 33 g), M- hmotnost černé díry. Tento jednoduchý vztah ukazuje, že teplota černé díry o hmotnosti šestinásobku hmotnosti Slunce se rovná jedné stovce miliontiny stupně. Je jasné, že takto chladné těleso prakticky nic nevyzařuje a všechny výše uvedené úvahy zůstávají v platnosti. Miniotvory jsou jiná věc. Je snadné vidět, že při hmotnosti 10 14 -10 30 gramů jsou zahřáté na desítky tisíc stupňů a rozžhavené do běla! Ihned je však třeba poznamenat, že neexistují žádné rozpory s vlastnostmi černých děr: toto záření je vyzařováno vrstvou nad Schwarzschildovou koulí, nikoli pod ní.
Černá díra, která se zdála být věčně zmrzlým objektem, tedy dříve nebo později zmizí a vypaří se. Navíc, když „hubne“, rychlost odpařování se zvyšuje, ale stále to trvá extrémně dlouho. Odhaduje se, že miniotvory o hmotnosti 10 14 gramů, které se objevily bezprostředně po velkém třesku před 10-15 miliardami let, by se do naší doby měly zcela vypařit. V poslední fázi života jejich teplota dosahuje kolosálních hodnot, takže produkty vypařování musí být částice extrémně vysoké energie. Možná jsou to ty, které generují rozsáhlé vzdušné sprchy v zemské atmosféře – EAS. Původ částic anomálně vysoké energie je každopádně dalším důležitým a zajímavým problémem, který může úzce souviset s neméně vzrušujícími otázkami fyziky černých děr.
Materiál připravila redakce InoSMI speciálně pro sekci RIA Science >>
Michael Finkel
Vraťme hodiny zpět. Než člověk, než Země, než se zapálilo Slunce, než se zrodily galaxie, než zasvítilo světlo, došlo k „velkému třesku“. Stalo se to před 13,8 miliardami let.
Supernovy osídlily prostor těžkými prvky v raném vesmíruVědci pomocí japonského rentgenového kosmického dalekohledu Suzaku zkoumali rozložení železa v kupě galaxií Perseus, která se nachází 250 milionů světelných let daleko.Ale co se stalo před tím? Mnoho fyziků říká, že „před tím“ neexistovalo. Tvrdí, že čas se začal počítat v okamžiku „velkého třesku“ a věřili, že vše, co dříve existovalo, není zahrnuto do rozsahu vědy. Nikdy nepochopíme, jaká byla realita před Velkým třeskem, z čeho vznikla a proč vznikl náš Vesmír. Takové myšlenky jsou mimo lidské chápání.
Někteří nekonvenční vědci s tím ale nesouhlasí. Tito fyzici se domnívají, že chvíli před „velkým třeskem“ byla celá hmota a energie vznikajícího vesmíru stlačena do jednoho neuvěřitelně hustého, ale konečného zrna. Říkejme tomu zárodek nového vesmíru.
Věří, že semeno bylo nepředstavitelně malé, možná bilionkrát menší než jakákoli částice, kterou by mohli lidé pozorovat. A přesto tato částice dala vzniknout všem ostatním částicím, nemluvě o galaxiích, sluneční soustavě, planetách a lidech.
Pokud opravdu chcete něco nazývat částicí Boha, pak je toto semeno pro toto jméno ideální.
Jak tedy toto semínko vzniklo? Jeden nápad předložil před několika lety Nikodem Poplawski, který působí na University of New Haven. Semeno našeho vesmíru bylo ukováno v prapůvodní peci, kterou se pro něj stala černá díra.
Násobení multivesmírů
Než půjdeme dále, je důležité pochopit, že za posledních dvacet let se mnoho teoretických fyziků přesvědčilo, že náš vesmír není jediný. Můžeme být součástí multivesmíru, který představuje obrovské množství jednotlivých vesmírů, z nichž každý je zářící koulí na skutečné noční obloze.
O tom, jak je jeden vesmír propojený s druhým a zda vůbec takové spojení existuje, se vedou mnohé spory. Všechny tyto spory jsou ale čistě spekulativní a pravda je neprokazatelná. Ale jedna atraktivní myšlenka je, že semeno vesmíru je jako semeno rostliny. Toto je kus základní hmoty, pevně slisovaný a skrytý uvnitř ochranného obalu.
To přesně vysvětluje, co se děje uvnitř černé díry. Černé díry jsou mrtvoly obřích hvězd. Když takové hvězdě dojde palivo, její jádro se zhroutí. Gravitační síla vše stahuje k sobě neuvěřitelnou a stále větší silou. Teploty dosahují 100 miliard stupňů. Atomy se hroutí. Elektrony jsou roztrhané na kusy. A pak se tato hmota ještě více zmenší.
V tomto okamžiku se hvězda promění v černou díru. To znamená, že jeho přitažlivá síla je tak obrovská, že z něj nemůže uniknout ani paprsek světla. Hranice mezi vnitřkem a vnějškem černé díry se nazývá horizont událostí. Ve středu téměř každé galaxie, včetně naší vlastní Mléčné dráhy, vědci objevují kolosální černé díry, několik milionůkrát hmotnější než naše Slunce.
Otázky bez dna
Pokud použijete Einsteinovu teorii k určení toho, co se děje na dně černé díry, můžete vypočítat bod, který je nekonečně hustý a nekonečně malý. Tento hypotetický koncept se nazývá singularita. Ale v přírodě nekonečna obvykle neexistují. Problém spočívá v Einsteinových teoriích, které poskytují vynikající výpočty pro velkou část vesmíru, ale rozpadají se tváří v tvář neuvěřitelným silám, jako jsou ty uvnitř černé díry nebo ty, které jsou přítomny u zrodu vesmíru.
Fyzici jako Dr. Poplavsky říkají, že hmota uvnitř černé díry se ve skutečnosti dostává do bodu, kdy už ji nelze stlačit. Toto „semínko“ je neuvěřitelně drobné a váží až miliarda hvězd. Ale na rozdíl od singularity je to docela reálné.
Podle Poplavského se proces komprese zastaví, protože černé díry rotují. Otáčejí se velmi rychle, možná dosahují rychlosti světla. A tato torze dává stlačenému semenu neuvěřitelnou axiální rotaci. Semeno není jen malé a těžké; je také zkroucená a stlačená, jako pružina toho čerta v tabatěrce.
Vědci poprvé změřili magnetické pole černé díry ve středu GalaxieSupermasivní černá díra Sgr A* se nachází ve středu naší galaxie. Dříve astronomové objevili rádiový pulsar PSR J1745-2900 v centru naší galaxie. Použili záření, které z něj vychází, k měření síly magnetického pole u černé díry.Jinými slovy, je docela možné, že černá díra je tunel, „jednosměrné dveře“ mezi dvěma vesmíry, říká Poplavsky. To znamená, že pokud spadnete do černé díry ve středu Mléčné dráhy, je docela možné, že skončíte v jiném vesmíru (no, pokud ne vy, tak vaše tělo rozdrcené na drobné částečky). Tento jiný vesmír není uvnitř našeho; díra je prostě spojovací článek, jako společný kořen, ze kterého vyrůstají dva osiky.
A co my všichni v našem vlastním vesmíru? Můžeme být produktem jiného, staršího vesmíru. Říkejme tomu náš skutečný vesmír. Toto semeno, které mateřský vesmír vytvořil uvnitř černé díry, mohlo před 13,8 miliardami let udělat velký odraz, a přestože se náš vesmír od té doby rychle rozpíná, stále můžeme být za horizontem událostí černé díry.
Černá díra je ve fyzice definována jako oblast v časoprostoru, jejíž gravitační přitažlivost je tak silná, že ji nemohou opustit ani objekty pohybující se rychlostí světla, včetně kvant světla samotného. Hranice této oblasti se nazývá horizont událostí a její charakteristická velikost je gravitační poloměr, který se nazývá poloměr Černého lesa. Černé díry jsou nejzáhadnějšími objekty ve vesmíru. Za své nešťastné jméno vděčí americkému astrofyzikovi Johnu Wheelerovi. Byl to on, kdo v populární přednášce „Náš vesmír: Známý a neznámý“ v roce 1967 nazval tato superhustá tělesa dírami. Dříve se těmto objektům říkalo „zhroucené hvězdy“ nebo „kolapsy“. Ale termín „černá díra“ zakořenil a je prostě nemožné jej změnit. Ve vesmíru existují dva typy černých děr: 1 – supermasivní černé díry, jejichž hmotnost je milionkrát větší než hmotnost Slunce (o takových objektech se předpokládá, že se nacházejí v centrech galaxií); 2 – méně hmotné černé díry, které vznikají v důsledku komprese obřích umírajících hvězd, jejich hmotnost je větší než tři hmotnosti Slunce; Jak se hvězda smršťuje, hmota je stále hustší a v důsledku toho se gravitace objektu zvyšuje do takové míry, že ji světlo nemůže překonat. Z černé díry nemůže uniknout ani záření, ani hmota. Černé díry jsou supervýkonné gravitátory.
Poloměr, na který se hvězda musí zmenšit, aby se stala černou dírou, se nazývá gravitační poloměr. U černých děr vzniklých z hvězd je to jen pár desítek kilometrů. V některých párech dvojhvězd je jedna z nich neviditelná v nejsilnějším dalekohledu, ale hmotnost neviditelné složky v takovém gravitačním systému se ukazuje jako extrémně velká. S největší pravděpodobností jsou takovými objekty buď neutronové hvězdy, nebo černé díry. Někdy neviditelné složky v takových párech svlékají materiál z normální hvězdy. V tomto případě se plyn oddělí od vnějších vrstev viditelné hvězdy a padá neznámo kam – do neviditelné černé díry. Před pádem na díru však plyn vysílá elektromagnetické vlny velmi různých délek, včetně velmi krátkých rentgenových vln. Navíc v blízkosti neutronové hvězdy nebo černé díry se plyn velmi zahřívá a stává se zdrojem silného vysokoenergetického elektromagnetického záření v oblasti rentgenového a gama záření. Takové záření neprochází zemskou atmosférou, ale lze jej pozorovat pomocí vesmírných dalekohledů. Jedním z pravděpodobných kandidátů na černé díry je silný zdroj rentgenového záření v souhvězdí Labutě.
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. HŘEBENY
Zkusme vrátit čas. Před vznikem života, před objevením se Země, před zrozením Slunce a vznikem galaxií, než začalo proudit světlo, existovalo. A to bylo před 13,8 miliardami let.
Ale co bylo dřív? Mnoho fyziků tvrdí, že neexistuje „před“. Věří, že samotný čas začal v okamžiku velkého třesku a vše, co bylo předtím, nezapadá do vědecké sféry. Podle tohoto úhlu pohledu nikdy nebudeme schopni pochopit, jaká byla realita před Velkým třeskem, z jakých složek byla zformována a proč z ní vznikl náš vesmír.
Ale jsou vědci, kterým jsou cizí konvence, a ti s nimi nesouhlasí. Tito lidé budují složité teorie, že v prchavém okamžiku před Velkým třeskem byla veškerá energie a hmota rodícího se vesmíru stlačena do nerealisticky hustého, ale dosti omezeného zrna. Můžete tomu říkat „Semínko nové reality“.
Tito blázniví fyzici věří, že Semeno bylo nepředstavitelně malé, pravděpodobně bilionkrát menší než jakákoli elementární částice, kterou může člověk pozorovat. A přesto se právě toto obilí stalo impulsem pro vznik všeho ostatního: jiných částic, galaxií, naší sluneční soustavy a lidí. Pokud opravdu toužíte nazvat něco částečkou Boha, pak je toto Semeno tím nejlepším kandidátem na takové jméno.
Jak tedy toto semeno povstalo? Myšlenka Nikodima Poplavského z University of New Haven uvádí, že Semeno naší reality se objevilo v prapůvodní výhni černé díry.
Reprodukce multivesmírů
Než se ponoříme hlouběji, stojí za to pochopit, že v posledních letech mnozí zájemci o tuto problematiku došli k závěru, že náš vesmír není zdaleka jedinečný. Může to být jen malá část obrovského multivesmíru, jedna ze světelných koulí na skutečné noční obloze.
Nikdo neví, jak jsou tyto vesmíry vzájemně propojeny a zda vůbec takové spojení existuje. A přestože spory, které v této věci vznikají, jsou spekulativní a neprokazatelné, stále existuje jedna zajímavá myšlenka, že Semeno každého vesmíru je velmi podobné semeni rostliny. Malý kousek vzácné hmoty, kompaktně slisovaný a skrytý pod ochrannou slupkou.
To velmi přesně vysvětluje události odehrávající se uvnitř Černé díry. Všechny černé díry jsou pozůstatky obřích hvězd, kterým došlo palivo a zhroutily se ve svém jádru. Když gravitační síly stlačují vše s ohromující a stále rostoucí silou. Pak teplota stoupne na 100 miliard stupňů, atomy se rozpadnou a elektrony se roztrhají na kusy. A pak se tento nepořádek ještě více zmenší.
Nyní je hvězdou černá díra. To znamená, že síla jeho přitažlivosti je tak obrovská, že z ní nemůže uniknout ani paprsek světla. Hranice mezi vnější a vnitřní částí Černé díry se nazývá horizont událostí. V centru téměř každé galaxie, naši Mléčnou dráhu nevyjímaje, můžete při pozorném pohledu najít masivní černé díry, které jsou milionkrát větší než naše Slunce.
Otázky bez dna
Pomocí Einsteinovy teorie k určení toho, co se děje na dně Černé díry, jistě narazíme na koncept singularity, podle kterého existuje nekonečně hustý a nekonečně malý bod. A to odporuje samotné přírodě, ve které jako by nekonečna neexistovala... Problém spočívá v samotných Einsteinových vzorcích, které jsou ideální pro výpočty týkající se většiny časoprostoru, ale vůbec nefungují v kvantovém měřítku neuvěřitelných síly, které vládnou zrodu vesmírů a žijí uvnitř černých děr.
Teoretickí fyzici jako Dr. Poplavsky tvrdí, že hmota v černé díře dosáhne bodu, kdy ji již není možné stlačit. Toto drobné semínko váží tolik jako miliarda hvězd, ale na rozdíl od singularity je stále docela reálné.
Poplavsky věří, že se komprese zastaví, protože černé díry se velmi rychle točí a při této rotaci možná dosahují rychlosti světla. A tento malý a těžký Seed, mající neskutečnou axiální torzi, stlačený a zkroucený, lze přirovnat k pružině jack-in-the-box. Najednou může toto semeno vyklíčit a udělat to s mocným třeskem. Takové případy se nazývají Velký třesk, nebo, jak Poplavsky raději říká, Velký odraz.
Jinými slovy, může se ukázat, že Černá díra je tunelem mezi dvěma vesmíry a jedním směrem. Což zase znamená, že pokud spadnete do Černé díry, okamžitě se ocitnete v jiném vesmíru (přesněji v tom, co z vás zbylo). Ten jiný vesmír s naším nesouvisí; díra je jen spojovací článek, jako společný kořen, ze kterého vyrůstají dva stromy.
Takže co my všichni v našem domovském vesmíru? Můžeme být dětmi jiného, prastarějšího prvotního vesmíru. Semeno vytvořené uvnitř Černé díry mateřským vesmírem mohlo provést Velký odraz před 13,8 miliardami let, a přestože se náš vesmír od té doby stále rychle rozpíná, můžeme stále existovat za horizontem událostí této Černé díry.
Nový model vesmíru nám umožňuje obejít se bez kvantové singularity a kosmologické inflace.
Hlavní otázku kosmologie lze formulovat doslova třemi slovy: odkud se vzal vesmír? Pro standardní odpověď stačí dvě: z kvantové singularity. Tak se nazývá zvláštní stav hmoty, kde neexistuje prostor ani čas a neplatí známé fyzikální zákony. Obecně se uznává, že se ukázalo, že je nestabilní a dal vzniknout trojrozměrnému prostoru naplněnému kvantovými poli a jimi generovanými částicemi. Tento výstup z singularity se nazývá Velký třesk a je považován za počátek věku vesmíru.
Nikdo vlastně neví, co tato singularita je. Pokud „přehrajeme“ kosmologické rovnice zpět v čase do nulového bodu, hustota energie a teplota půjdou do nekonečna a ztratí svůj fyzikální význam. Singularita je obvykle popisována jako chaotická kvantová fluktuace ve vakuu, která umožnila gravitaci a další fyzikální pole. Teoretici vynaložili velké úsilí, aby se pokusili přesně pochopit, jak by se to mohlo stát, ale zatím bez většího úspěchu.
Ne výbuch, ale kolaps
Některé kosmologické modely se obejdou bez singularity úplně, ale jsou v menšině. Nedávno ale tři kanadští vědci přišli s velmi zajímavým modelem velkého třesku, který nevyžaduje hypotézu kvantového chaosu. Profesor fyziky a astronomie Robert Mann a jeho kolegové z University of Waterloo připouštějí, že náš vesmír se mohl objevit jako vedlejší produkt gravitační kontrakce kosmické hmoty, která skončila zrozením černé díry. Jejich klíčová myšlenka je, že tato hmota existovala v prostoru ne tří, ale čtyř dimenzí. Novorozená díra, opět čtyřrozměrná, se obklopila trojrozměrnou skořápkou, která se stala zárodkem Vesmíru. Z matčiny čtyřrozměrnosti si vypůjčila nejen gravitaci, ale i další pole a částice, které nabyly nezávislého trojrozměrného života. Náš svět tedy nevznikl z Velkého třesku, ale z jeho opaku, Velkého kolapsu!
Kde se vzala tato skořápka? „Obyčejná“ černá díra je obklopena uzavřeným dvourozměrným povrchem, horizontem událostí. Částice, která spadne dovnitř horizontu, se již nebude moci vrátit a ani fotony zpod horizontu tuto neprostupnou bariéru nepřekonají. Pokud je díra nehybná, horizont je kulový, ale u rotujících děr je tato koule na pólech zploštělá. Protože horizont má nulovou tloušťku, přirozeně se v něm nenachází žádná hmota. Ale to je v trojrozměrném prostoru. Čtyřrozměrná díra má také horizont událostí, jehož rozměr je o jeden menší než jeho vlastní. Proto je jeho horizontem trojrozměrný prostor. Podle hypotézy kanadských fyziků by z ní mohl vzniknout náš Vesmír.
Profesor na University of Waterloo (Kanada):
„Rovnice obecné relativity mají smysl pro prostory s libovolně velkým počtem rozměrů a ve všech případech mají řešení vedoucí ke vzniku singularit. Z toho vyplývá, že pokud hustota hmoty v uzavřené čtyřrozměrné oblasti překročí určitou kritickou mez, zhroutí se a vytvoří černou díru. Fyzikální vlastnosti takové látky by měly být velmi odlišné od těch, které pozorujeme v našem světě. Je však zcela logické předpokládat, že v tomto světě bude dominovat gravitace: pokud částice hmoty čtyřrozměrného světa deformují časoprostor v souladu s rovnicemi obecné relativity, jsou k sobě přitahovány a dávají vzniknout černé díry.”
Co se týče čtyřrozměrného prostoru, uzamčeného uvnitř horizontu černé díry, tato trojrozměrná oblast bude jediným světem zcela odříznutým od čtyřrozměrného prostředí. Dá se předpokládat, že hmota vtažená do horizontu se bude chovat podle všech třírozměrných zákonů. Nový model eliminuje běžnou kosmologickou inflační hypotézu navrženou na počátku 80. let, která stále čelí vážným nevyřešeným problémům. Nejasná je zejména povaha fyzického pole, které má spouštět zrychlující se expanzi novorozeného vesmíru.
Bounce světa
Ale pokud ignorujeme kvantové efekty, horizont trojrozměrné díry je stabilní, zatímco náš vesmír se rozšiřuje. Mannův model to také vysvětluje: „Gravitační kolaps ve čtyřrozměrném prostoru nejenže dá vzniknout černé díře, ale také způsobí, že hmota, která do ní nespadla, se „odrazí“ a rozptýlí se všemi směry. Něco podobného se děje při explozích supernov, které rozmetají své obaly po okolním prostoru. Výpočty ukazují, že tato hmota může kolem horizontu vytvořit trojrozměrnou vrstvu, která se bude roztahovat a táhnout s sebou i samotný horizont. V důsledku toho vznikne jediný rozpínající se prostor našeho vesmíru. Model lze upravit tak, že předpovídá zrychlení této expanze, kterou standardní kosmologie vysvětluje pomocí temné energie.“
Nový model umožňuje experimentální testování. Gravitační vliv čtyř dimenzí na náš Vesmír by měl způsobit určité výkyvy v kosmickém mikrovlnném záření pozadí, jehož spektrum lze předvídat.