14. októbra 2019
Black Hole

Čo je to čierna diera?

(Otázka od Jaroslava z rubriky Opýtaj sa Vedátora)

Celý život trávime v zajatí gravitácie Zeme. Keď vyskočíme, vzdialime sa tak na meter… a hneď sme späť tam, kde sme boli. Ako ťažké je gravitácii uniknúť, závisí od hmotnosti telesa, ktoré ju vytvára. Ak by ste napríklad úspešne pristáli na povrchu kométy a vyskočili od radosti, už by ste nikdy nedopadli späť. Na telesách ťažších než Zem je situácia opačná – je problém na nich vôbec stáť, nieto z nich ešte uniknúť.

John Michell premýšľal ešte v roku 1783 (!) nad takouto otázkou: Môže byť hviezda tak hmotná, že z nej nedokáže ujsť ani svetlo? Trvalo vyše storočie, kým sme našli odpoveď. Astronomické hviezdy žijú v prísnej rovnováhe – na jednej strane je gravitácia, ktorá ich stláča, na druhej tlak termonukleárnych reakcií, ktorý ich rozpína. Ak si predstavíte Slnko ako obrovský a dlhotrvajúci jadrový výbuch, ktorý drží pokope vlastná hmotnosť, nie ste ďaleko od pravdy.

Hviezda umiera, rodí sa monštrum

Keď však hviezde začne dochádzať palivo, rovnováha sa naruší a to bežne vedie k explózii, ktoré jej zbytky rozmetá do veľkého okolia (a zo zbytkov postupne vzniknú ďalšie hviezdy, planéty a malí človiečikovia). Niekedy sa však stane, že jadro prežije. Tlak, ktorý bránil kolapsu, už ustal, a tak sa vplyvom gravitácie stláča ďalej.

Hviezdy sú tvorené z atómov, no silná gravitácia ich stlačí tak, že vznikne nepredstaviteľne hustá neutrónová kaša (jedna lyžička takejto kaše váži ako mrakodrap). V mnohých prípadoch zastaví tlak neutrónov ďalší gravitačný kolaps a vznikne pomerne stabilný objekt – neutrónová hviezda. Nie však vždy…

Niekedy je gravitácia taká silná, že aj neutrónová hmota kolabuje ďalej, až sa napokon celá zrúti do jedného bodu s nekonečnou hustotou a vznikne tzv. singularita. Okolo singularity sa vytvorí oblasť, ktorú voláme horizont udalostí. Nejde o reálnu bariéru, ale hranica, spod ktorej nedokáže uniknúť ani len svetlo. Ak by sa na čiernu dieru zrazu zmenilo Slnko, horizontom udalostí by bola sféra s obvodom asi 20 kilometrov.

Ak sa nachádzate veľmi ďaleko od čiernej diery, necítite nič špeciálne. Cítite jej gravitačnú príťažlivosť (ako od hviezdy rovnakej hmotnosti), akurát nevidíte nič, čo by ju vyvolávalo. Ak sa k čiernej diere priblížite, niečo si predsa len všimnete – obraz hviezdnej oblohy je zdeformovaný, môže za to efekt známy ako gravitačné šošovkovanie.

Ak sa v blízkosti čiernej diery nachádza hmota (napríklad iná nešťastná hviezda), vznikne okolo nej akrečný disk. Hmota sa po špirále blíži k svojmu neodvratnému osudu, popri tom dochádza k obrovskému treniu a zahrievaniu. Magnetické polia môžu dosahovať nepredstaviteľné hodnoty, vznikajú energetické výboje a veľká časť hmoty je nakoniec vymrštená do ďalekého okolia.

Umelecké znázornenie akrečného disku.

Pád do čiernej diery

Predstavme si, že tam nič z tohto nie je – len samotná čierna diera, vy sediaci v bezpečne zaparkovanej rakete a nešťastný výskumný robot, ktorého spúšťate k horizontu. Robot vám posiela pravidelné hlásenie, zo začiatku každú sekundu, no postupne sa začne oneskorovať, posiela ich každé dve sekundy, tri, minútu… až ich zrazu prestane posielať úplne. Síce bol naprogramovaný na sekundové hlásenia, no vy vidíte, ako mu pri približovaní sa k horizontu začína plynúť čas pomalšie… až sa zrazu úplne zastaví.

Čo počas tohto zažíval robot? Nič špeciálne – on svoj vlastný čas vnímal stále rovnako. Prechod horizontom si ani nevšimol (všimol by si ho len, ak by sa snažil vrátiť späť – zistil by, že to nedokáže). Vplyvom gravitácie čiernej diery by videl hviezdne nebo stále viac a viac deformované, nakoniec by všade naokolo zavládla tma, jediné svetlo (hviezd) by prichádzalo priamo zhora (situácia ako na dne kanála, kde denné svetlo preniká len cez kruhový otvor ďaleko hore).

Zmierený so svojim osudom by sa robot možno mohol tešiť na preskúmanie singularity, no jeho nadšenie by bolo predčasné – roztrhali by ho totiž slapové sily. Jednoducho povedané, jeho nohy by boli priťahované viac ako hlava (keďže sú bližšie k singularite), čo by ho natiahlo ako špagetu a postupne pretrhlo.

Srdce čiernej diery zostáva tajomstvom

Ale predsa len, keby sme sa hypoteticky dostali k singularite, teda k jadru čiernej diery, čo by sme tam našli? Z pohľadu Einsteinovej teórie nič, resp. iba trhlinu v časopriestore. Podľa teórie strún by tam však niečo predsa len mohlo byť, jeden z opisov kvantovej gravitácie opisuje singularitu ako také malé klbko fundamentálnych objektov (tzv. d0-branes) pospájaných vibrujúcimi strunami (o rozmeroch asi 0,(35 núl)1 metra).

Pre praktický opis čiernej diery bežne používame jej horizont udalostí, keďže ten ju oddeľuje od zbytku vesmíru a tam sa dejú astronomicky zaujímavé veci. No reálne je celá jej hmota v tom jednom malom klbku (v ktorom sú okrem iného uložené všetky informácie, ktoré sa do čiernej diery dostali). Či je tento obraz jadra čiernej diery správny alebo nie, netušíme, no dáva nádej, že aj na túto otázku existuje odpoveď, ktorú niekedy budeme môcť spoznať.

[Samuel]

Pridaj komentár