Čeští vědci zkoumají možnosti těžby energie ze superhmotných černých děr

Superhmotné černé díry ukrývající se ve středu galaxií představují zásobárny gigantického množství energie. Trojici mechanismů jejího generování popisuje ve své nové práci tým z Fyzikálního ústavu v Opavě: Zdeněk Stuchlík, Arman Tursunov a Martin Kološ. Vědci se zaměřili na důsledky tzv. Penroseových procesů, tedy na popis získávání energie v okolí černých děr. 

Energie v magnetickém poli

V roce 1977 přišli fyzici Roger Blandford a Roman Znajek s teorií, že energii může poskytnout rotující černá díra v magnetickém poli. Linie daného pole se vlivem strhávání časoprostoru zkroutí a vytvoří efektivní elektrický náboj. Jak se náboj vybíjí, rotační energie černé díry se extrahuje ven. 

V případě typické superhmotné černé díry o hmotnosti v řádech miliard ekvivalentů Slunce se jedná přibližně o 10⁵⁵ joulů, což je stobilionkrát víc, než kolik by v daném okamžiku potřebovala celá pozemská civilizace! Jde ovšem jen o jeden z procesů produkce energie, tzv. magnetický, jehož efektivita roste s hmotností černé díry a s intenzitou okolního magnetického pole.

Neposlušné částice

„Černá díra může uvolňovat energii pomocí záření nabité částice, a to ze slupky zvané ergosféra. Jde o zónu nad horizontem událostí, z níž ještě částice dokážou uniknout,“ popisuje jeden ze spoluautorů studie Arman Tursunov. A jak dále vysvětluje, pro uvolnění energie popsanou cestou musí superhmotný objekt rotovat. 

„Černé díry sice nevidíme přímo, ale jak víme, přirozeností každého vesmírného objektu je rotace. Předpokládáme tedy, že všechny černé díry nějak rotují. V jejich okolí se pak jednoduše řečeno neposlušné nabité částice – ty, které se nepohybují ve směru otáčení černé díry – stanou nositelkami energie, urychlí se a uniknou pryč. Tím také kvůli zákonu zachování energie samotná černá díra ‚strádá‘, což se projeví nepatrným zpomalením její rotace.“ Takové částice se dostávají do okolí černé díry z rozpadlých objektů: Tudíž čím víc materiálu okolo ní leží, tím větším zdrojem radiační energie se hmotná černá díra stává.

Stačí, aby byla nabitá

Černá díra ovšem nemusí nutně rotovat, aby byla zdrojem energie. Stačí, aby měla elektrický náboj. Tzv. elektrický Penroseův proces nám ukazuje, že nabité částice, které naopak do nenasytného objektu spadnou, jej nabíjejí. 

Velikost celkového náboje však nemůže růst donekonečna, takže další spršku částic se stejným nábojem již černá díra odpuzuje. Protože v jejím okolí panují obří síly, náboj nepohlcených částic je odvržen pryč – tím rychleji, čím blíž monstru se jejich oblak nachází. Platí také, že čím větší náboj má černá díra vzhledem ke své velikosti, tím silnější urychlení částice čeká. „Účinnost takového záření je přibližně stotisíckrát menší než u magnetického Penroseova procesu. Pořád však může jít o energie až miliardkrát větší, než v jednom okamžiku potřebuje naše civilizace,“ upozorňuje další spoluautor práce Martin Kološ.

Riziko pro celou galaxii

Penroseovy procesy se objevují s největší účinností u superhmotných černých děr v nitrech velkých hvězdných ostrovů. Ze Země pozorujeme i tzv. aktivní galaxie, tedy ty, v jejichž jádrech dosahují černé díry mimořádné radiační aktivity. 

Právě kvůli extrémně silným radiačním tokům z centrální černé díry představují dané ostrovy naprosto nehostinné místo pro život. Během překotných jevů – když hladový temný gigant pohltí mohutný oblak hvězdné látky – se totiž uvolňují velké toky protonů, iontů i volných elektronů, řádově stomiliardkrát silnější než nám známé sluneční erupce. Planeta podobná Zemi by proto život na povrchu svým magnetickým štítem neuchránila, i kdyby obíhala kolem stálice na samém okraji dané galaxie. 

Ještě dalekosáhlejší účinky má potom radiace uvolněná z pólů černé díry, proudící ve výtryscích, tzv. jetech. Taková energie urychlená zmíněnými jevy může mít nedozírné následky i do větších vzdáleností.

Odstínit betonem

Že se naše černá díra chystá vyslat nebezpečnou radiaci, bychom poznali ze záření v její ergosféře. „Pokud bychom tam zjistili vzrůst energie, znamenalo by to, že zesílil radiační Penroseův proces. Ten umocňuje ostatní energetické procesy a de facto indikuje budoucí velké uvolnění energie. Na Zemi bychom se tak před potenciální smrtelnou radiací museli ukrýt do podzemních betonových bunkrů a setrvat tam několik dní až týdnů, dokud by se její úroveň na povrchu nevrátila k normálu,“ shrnuje závěry studie Kološ. 

„Černá díra v centru naší Galaxie je poměrně klidná,“ ujišťuje Zdeněk Stuchlík, ředitel Fyzikálního ústavu v Opavě a spoluautor práce. „Přesto bychom se měli mít na pozoru. Kdyby totiž například pohltila objekt se silným magnetickým polem, takzvaný magnetar – které se v jejím okolí v určitém počtu vyskytují – vyvolalo by to velmi překotný jev urychlující nabité částice všemi směry, tedy i k Zemi. Proto by bylo dobré procesy v nitru Galaxie sledovat. Nepředpokládáme však, že by nás zasáhla i radiace z jetů: Podle dostupných pozorování nesměřují rotační póly centrální černé díry k nám.“

Záhadné červí záření

Fyzikové ovšem zašli ve výzkumu ještě dál a zaměřili se také na jiné, nezvykle periodické záření přicházející z okolí černých děr. Jeho podrobná analýza ukazuje, že u nejhmotnějších pozorovaných cílů – zpravidla supermasivních černých děr – se frekvence oscilací záření významně liší od současných modelů. Mohlo by to znamenat, že nejde o záření pocházející z černé díry, ale dost možná z nějakého mnohem zajímavějšího objektu...

„Sledujeme dvojí oscilace, které se projevují v discích hmoty rotující okolo černých děr. Záření z těchto akrečních disků uniká velmi blízko takzvaného horizontu událostí, tedy zóny, odkud už není návratu. Zajímavé je, že dvojí oscilace probíhají na frekvencích s celočíselným poměrem, nejčastěji tři ku dvěma,“ vysvětluje Jaroslav Vrba z Fyzikálního ústavu v Opavě, spoluautor jedné z vědeckých prací. 

Podle něj lze takové záření dobře objasnit u malých černých děr, tzv. mikrokvazarů, ale u těch větších již vysvětlení selhává. Hledají se tedy alternativní typy objektů, na něž by se dal aplikovat daný fyzikální model založený na epicyklickém pohybu zářící horké hmoty kolem černé díry. A jeden z velice pravděpodobných scénářů představuje výskyt červí díry.

Jde to i bez exotické látky?

Pojem „červí díra“ označuje hypotetickou zkratku mezi dvěma místy v zakřiveném prostoročase. Jako první ji popsali Albert Einstein a Nathan Rosen již v roce 1935, proto se jí odborně říká Einsteinův–Rosenův most. Zmíněné, dosud teoretické zkratky v časoprostoru či brány do paralelních vesmírů mohou tvořit reálný objekt. 

Vědci z opavské univerzity již dříve zjistili, jak by se daly červí díry opticky odhalit. A právě nově studované záhadné záření by mohlo poskytnout další indicii k jejich detekci. Ve spolupráci s kolegy z Ruska a Brazílie přišli opavští fyzici Konoplya, Churilová, Stuchlík a Židenko také na to, že existence stabilní červí díry nevyžaduje ani žádné exotické, zatím neobjevené látky. 

„Dlouhá léta jsme si mysleli, že k udržení stabilního hrdla červí díry je zapotřebí exotická látka s repulzivní – negativní – gravitací, jejíž vlastnosti se příčí běžné zkušenosti. Uvažovali jsme však o červí díře jako o důsledku mimořádně silných gravitačních jevů popsaných alternativní gravitací. Naše novější studie počítají s tím, že mají červí díry také elektrický náboj a magnetické pole. A právě zohlednění silného elektro­magnetického pole nám nabízí existenci stabilních červích děr za přítomnosti běžných forem látky, z níž sestávají hvězdy, planety i lidé,“ popisuje Zdeněk Stuchlík. 

Nové výsledky podle něj vycházejí z řešení nalezených pro kombinaci Einsteinových rovnic popisujících gravitaci s rovnicemi Jamese Maxwella a Paula Diraca, jež popisují elektromagnetické pole a nabité elementární částice. 

Zkratka do paralelního světa

Pochopitelně se nabízí otázka, co vlastně červí díra spojuje. Teoreticky může jít nejen o zkratku mezi dvěma vzdálenými místy v jednom kosmu, ale dokonce o spojnici mezi různými vesmíry. „Na základě čistě vědeckého modelování nám vyjde, že červí díra může mít takzvaně symetrickou či asymetrickou geometrii. V prvním případě se bude jednat o spojnici dvou bodů v našem kosmu, zatímco v tom druhém, zajímavějším, se může na druhém konci mostu nacházet paralelní vesmír,“ vysvětluje Stuchlík a dodává: „Dosud jsme si mysleli, že paralelní vesmír z fyzikálních důvodů pozorovat nemůžeme, protože informace z něj musejí cestovat nadsvětelnou rychlostí – která je standardně nedosažitelná. Námi diskutované nové modely zohledňující jak gravitaci, tak elektromagnetické pole však ukazují, že asymetrická červí díra by mohla být právě mostem do kosmu s jinými vlastnostmi, například ve smyslu takzvaných strunových teorií.“

TIP: Existují paralelní vesmíry? Jaké jsou argumenty pro a proti jejich existenci? 

V takovém paralelním vesmíru ovšem nenajdeme naše druhé já žijící jiným životem, jak popisuje teorie mnohovesmíru. Půjde o zcela nezávislý kosmos, jen s poněkud odlišnými fyzikálními vlastnostmi hmoty oproti tomu našemu. Nové studie každopádně přinášejí možnost vzniku stabilních červích děr ze stavebních kamenů, které jsou ve vesmíru běžně dostupné. Dal by se však takový objekt vytvořit i uměle, například v laboratoři? Jak uzavírá Zdeněk Stuchlík, na to zatím bohužel nedisponujeme dostatkem energie. Jednalo by se totiž o energie, jaké se vyskytují v centrech velkých galaxií – tedy přibližně stomiliardkrát vyšší než v případě Slunce…