Opravdu vědci našli černé díry?

VYPADÁ to jako sci-fi — kdysi jasné hvězdy se staly neviditelnými, zhroutily se vlastní gravitační silou, takže pohltí vše, co je v jejich dosahu, dokonce i světlo. Mnoho astronomů je přesvědčeno o tom, že takové černé díry jsou ve vesmíru běžným jevem. Chtěli byste se o nich dovědět více? Příběh začíná v krásném severním souhvězdí nazvaném Cygnus, což znamená „Labuť“.

Je Cygnus X-1 černá díra?

Astronomové se od šedesátých let zajímali o určitou oblast v souhvězdí Cygnus. Orbitální observatoře vyslané nad atmosféru Země objevily velmi silný zdroj rentgenového záření, které z této oblasti vychází, a označili jej jako Cygnus X-1.

Vědci již dlouho vědí, že čím je objekt teplejší, tím více energie vydává v kratších, elektromagnetických vlnových délkách, které obsahují větší energii. Jestliže kousek železa rozžhavíte ve velmi horké peci, bude nejdříve žhnout červeně a s rostoucí teplotou železa potom bude žlutý a bílý. Hvězdy se v tom podobají železné tyči. Relativně chladné hvězdy, které mají kolem 3 000 K, jsou načervenalé barvy, kdežto u žluté hvězdy, jako je Slunce, se povrchová teplota blíží 6 000 K.a K tomu, aby vzniklo rentgenové záření, které vychází z oblasti Cygnus X-1, by však bylo třeba hvězdný plyn rozžhavit na miliony kelvinů. A takovou povrchovou teplotu nemá žádná hvězda.

V místě, kde leží Cygnus X-1, našli astronomové hvězdu, jejíž povrchová teplota se odhaduje na 30 000 K — je skutečně velmi žhavá, ale přece jen ne tolik, aby mohla být zdrojem onoho záření. Předpokládá se, že tato hvězda, která je katalogizována jako HDE 226868, má asi třicetkrát větší hmotnost než Slunce a od Země je vzdálena šest tisíc světelných let. Tento supergigant má společníka a ti dva se v orbitálním valčíku otočí kolem sebe každých 5,6 dne. Vědci spočítali, že tento společník je od HDE 226868 vzdálen pouhých několik milionů kilometrů a podle některých zdrojů jeho hmotnost dosahuje asi desetinásobku hmotnosti Slunce. Je na něm ale něco velmi zvláštního — není vidět. Na takovou vzdálenost by každá normální hvězda této velikosti byla ze Země vidět. Vědci říkají, že objekt takové hmotnosti, který vydává rentgenové záření, ale ne viditelné světlo, je velmi pravděpodobně černá díra.

Výlet do černé díry

Představte si, že cestujete do oblasti Cygnus X-1. Pokud by se opravdu jednalo o černou díru, to, co byste viděli, by mohlo vypadat asi jako ilustrace na straně 17. Velká hvězda je HDE 226868. Tato hvězda má v průměru miliony kilometrů, kdežto černá díra může mít v průměru asi 60 kilometrů. Nepatrný černý bod ve středu víru žhavého plynu je horizont událostí neboli povrch černé díry. Není to však pevný povrch, ale spíše něco jako stín. Je to hranice oblasti, v níž je gravitace kolem černé díry tak silná, že této síle nemůže uniknout ani světlo. Mnoho vědců se domnívá, že uvnitř horizontu, ve středu černé díry, je bod nulového objemu a nekonečné hustoty, který je známý jako singularita, a tam zmizela všechna hmota černé díry.

Černá díra vysává z hvězdy, která ji doprovází, vnější vrstvy plynu. Plyn z této hvězdy spirálovitě obkrouží černou díru a čím rychleji se plyn pohybuje, tím více se třením zahřívá. Tento kotouč superrozžhaveného plynu potom silnou gravitací dostává neuvěřitelnou rychlost a těsně u černé díry vzniká rentgenové záření. Samozřejmě, jakmile se plyn dostane do černé díry, žádné rentgenové záření — ani nic jiného — již nemůže uniknout.

Na Cygnus X-1 je nádherný pohled, ale nejděte moc blízko! Smrtící je nejen rentgenové záření, ale i gravitace. Na Zemi, pokud stojíte, se hodnota gravitační síly, která působí na vaši hlavu, nepatrně liší od hodnoty gravitační síly, která působí na vaše nohy. Tento rozdíl vytváří nepatrný tah, který nemůžeme cítit. V oblasti Cygnus X-1 je takový rozdíl sto padesátmiliardkrát větší a vytváří sílu, která by vaše tělo skutečně natáhla — jako by neviditelné ruce táhly vaše nohy jedním směrem a hlavu druhým!

Je Cygnus A supermasivní černá díra?

V souhvězdí Cygnus existuje ještě jiná záhadná oblast. Na pohled je to jen velmi nejasná skvrna ve vzdálené galaxii, ale je to jeden z nejsilnějších zdrojů radiového záření na obloze. Nazývá se Cygnus A a od té doby, co byl před padesáti lety objeven, si s ním vědci lámou hlavu.

Je ohromující, když si člověk představí rozsah oblasti Cygnus A. Cygnus X-1 je uvnitř naší galaxie — vzdálený několik tisíc světelných let, kdežto u oblasti Cygnus A se předpokládá, že je vzdálena stovky milionů světelných let. Cygnus X-1 a její viditelný společník jsou od sebe vzdáleny pouze asi světelnou minutu. Oblaka, která vytvořila dva radiové zdroje v Cygnus A, dělí statisíce světelných let.b „Cosi“ ve středu oblasti Cygnus A již statisíce, nebo dokonce miliony let očividně vystřeluje ohromnou energii opačnými směry, jako by tam byla nějaká kosmická zbraň. Podrobné radiomapy středu oblasti Cygnus A ukázaly, že kosmická zbraň je v porovnání s touto energií velmi malá — menší než jeden světelný měsíc. Pokud by se během celé té doby chvěla, proudy energie by byly zakřivené. Avšak záhadné proudy energie jsou dokonale přímé, jako by zbraň, která je vystřelila, byla stabilizována obrovským gyroskopem.

O co se může jednat? „Z desítek koncepcí, jež byly od počátku osmdesátých let navrženy jako vysvětlení tohoto ústředního motoru,“ píše profesor Kip S. Thorne, „pouze jedna vycházela z existence skvělého gyroskopu s dlouhou životností, s velikostí menší než světelný měsíc a se schopností generovat velmi silné proudy. Touto jedinečnou koncepcí byla gigantická, rotující černá díra.“

Podezření na další černé díry

V roce 1994 se právě opravený Hubblův teleskop podíval podrobněji na „sousední“ galaxii M87, o níž se předpokládá, že je vzdálena padesát milionů světelných let. S vylepšenými optickými vlastnostmi teleskop objevil v centru galaxie M87 vír plynu, který závratnou rychlostí dva miliony kilometrů za hodinu kroužil kolem nějakého objektu. Co mohlo způsobit, že se plyn pohyboval takovou rychlostí? Výpočty ukázaly, že objekt uvnitř tohoto víru musí mít hmotnost, která se rovná nejméně dvěma miliardám Sluncí. Tento objekt však byl zhuštěn do „nepatrného“ prostoru o velikosti naší sluneční soustavy. Jediná věc, která podle představ vědců může odpovídat tomuto popisu, je supermasivní černá díra.

Další potenciální černé díry byly nalezeny v centru mnoha blízkých galaxií včetně našeho „nejbližšího“ souseda — v galaxii v Andromedě, která je vzdálena pouhé dva miliony světelných let. Ale gigantická černá díra může být dokonce blíže než v Andromedě! Nedávná pozorování naznačují, že nějaká obří černá díra může celkem snadno být i v centru naší vlastní galaxie, Mléčné dráhy. „Cosi“ v malé oblasti s odhadovanou hmotností 2,4 milionu Sluncí, působí, že hvězdy v blízkosti středu naší galaxie kolem „toho“ obíhají obrovskou rychlostí. Fyzik Kip S. Thorne uvádí: „Během osmdesátých let se postupně nahromadily doklady, které naznačují, že takové díry neexistují pouze v nitru většiny kvasarů a radiogalaxií, ale také v nitru většiny obrovských, normálních (neradiových) galaxií, jako je Mléčná dráha a Andromeda.“

Opravdu vědci objevili černé díry? Možná. Určitě objevili v souhvězdí Cygnus i jinde některé velmi podivné objekty, které lze v současnosti nejlépe vysvětlit jako černé díry. Nová fakta však mohou také zpochybnit běžně uznávané teorie.

Před více než tři a půl tisícem let se Bůh zeptal Joba: „Poznal jsi ustanovení nebes?“ (Job 38:33) Tato otázka je přes působivý vědecký pokrok stále aktuální. Konečně, právě když si člověk začne myslet, že vesmíru rozumí, přijde nový, nečekaný objev, který rozbije pečlivě vykonstruované teorie. Zatím můžeme souhvězdí s obdivem pozorovat a těšit se z jejich krásy!

[Poznámky pod čarou]

[Rámeček na straně 16 a 17]

Jak vzniká černá díra?

PODLE současných vědeckých znalostí hvězda září v důsledku nepřetržitého zápasu mezi gravitací a nukleárními silami. Bez gravitace, která stlačuje plyn hluboko uvnitř hvězdy, by nemohlo dojít k nukleárním reakcím. Na druhé straně, bez nukleárních reakcí, které působí proti vlivu gravitace, by se s hvězdami mohly stát velmi zvláštní věci.

Vědci jsou přesvědčeni, že když hvězdy o velikosti našeho slunce vyčerpají své nukleární palivo skládající se z vodíku a hélia, jsou gravitací stlačeny do horkého oharku o velikosti země, kterým se říká bílí trpaslíci. Bílý trpaslík má možná stejnou hmotnost jako slunce, ta je ale nahuštěna v milionkrát menším prostoru.

Běžnou hmotu si můžete představit jako převážně prázdný prostor, kde většina hmoty každého atomu je umístěna v nepatrném jádru, které je obklopeno mnohem větším oblakem elektronů. Tento elektronový oblak však byl uvnitř bílého trpaslíka gravitací stlačen do nepatrného zlomku předchozího objemu, a tím se hvězda zmenšila na velikost planety. U hvězdy velikosti našeho slunce dojde v tomto okamžiku mezi gravitací a silami elektronů k rovnováze, což zabrání dalšímu smršťování.

Ale co v případě hvězdy, která je těžší než slunce a má větší gravitaci? U hvězd, jejichž hmotnost je více než 1,4krát větší než slunce, je gravitační síla tak obrovská, že vlivem tlaku úplně přestane existovat elektronový oblak. Protony a elektrony se spojí v neutrony. Za předpokladu, že gravitace není příliš silná, neutrony dalšímu stlačování odolají. Místo bílého trpaslíka o velikosti planety je výsledkem neutronová hvězda o velikosti malého asteroidu. Neutronová hvězda se skládá z materiálu o největší hustotě, jaký je ve vesmíru znám.

Co však, jestliže gravitace dále roste? Vědci se domnívají, že u hvězd asi trojnásobné hmotnosti našeho slunce je gravitace příliš silná na to, aby jí neutrony odolaly. Žádná forma hmoty, kterou fyzici znají, nemůže odolat narůstající síle této gravitace. Zdá se, že neutronová koule o velikosti asteroidu by mohla být nejen stlačena do ještě menší koule, ale do ničeho — do bodu, který se nazývá singularita, neboli nějaká další, dosud nepopsaná teoretická entita. Je zřejmé, že hvězda zmizí a v místě, kde byla, po ní zůstane pouze její gravitace a černá díra. Černá díra vytvoří na místě bývalé hvězdy gravitační stín. To je oblast, kde je gravitace tak silná, že nic — dokonce ani světlo — nemůže uniknout.

[Obrázky na straně 16]

Souhvězdí Cygnus (Labuť) obsahuje kromě jiného i mlhovinu Severní Amerika (1) a Řasovou mlhovinu Vell (2). Cygnus X–1 (3) v dolní části krku labutě

Cygnus (Labuť)

[Podpisek]

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

[Obrázky na straně 17]

Cygnus X-1 teoreticky

Černé díry jsou odhaleny na základě jejich působení na jiná tělesa. Tato ilustrace ukazuje, jak plyny z hvězdy jsou vtahovány do černé díry.

Černá díra (v červeném čtverci) podle představ výtvarníka a její zvětšenina (dole)

[Podpisek obrázku na straně 14]

Einstein: Foto U. S. National Archives