Tajemství černých děr: 15 podivuhodných a málo uvěřitelných faktů (1)

1. Černé díry mají singularitu

Představte si nekonečně malý bod, enormně hmotný a nekonečně hustý. To je singularita

Podstatou každé černé díry je gravitační singularita, alespoň podle převládajících teorií. A právě singularita může za všechny podivnosti, jež se se zmíněnými objekty pojí. Jde o bod v centru černé díry, v němž gravitační pole a další veličiny dosahují nekonečných hodnot. Z rovnic vyplývá, že nerotující černá díra by měla mít singularitu v podobě jednoho bodu, rotující černá díra zase ve tvaru prstence. V obou případech by však měla singularita dosahovat nulového objemu, nekonečně velké hustoty a měla by obsahovat veškerou hmotu černé díry. Kdyby někdo padal do nerotující černé díry, nemohl by se po překročení horizontu událostí nijak vyhnout pádu do singularity. Slapové síly by ho roztáhly jako nudli a singularita by ho rozdrtila do nekonečné hustoty. Nakonec by se celková hmota černé díry zvýšila o hmotu pozorovatele.

Jenže – vyskytuje-li se někde ve fyzikální teorii singularita, znamená to, že je tam problém a že něco chápeme špatně. Singularity rozvracejí rovnice, fyzici je nemají rádi a bohužel ani obecná teorie relativity ani kvantová mechanika si se singularitou černých děr nevědí rady. Snad by mohla pomoct kvantová teorie gravitace, ta však zůstává v nedohlednu. 

2. Černé díry obklopuje horizont událostí

Po překročení horizontu událostí už není cesty zpět. Ani pro světlo

Obecná relativita ohraničuje černé díry horizontem událostí, přibližně kulovitou plochou v časoprostoru, za kterou působí natolik silná gravitace, že nepustí ze svého dosahu ani světlo. Úniková rychlost je zde totiž vyšší než rychlost světla, tudíž se o dění za horizontem událostí nemůžeme nic dovědět.

V bezprostředním okolí černé díry dochází ke gravitační dilataci času. Pro člověka pozorujícího z bezpečné vzdálenosti nějaké těleso mizející v černé díře by se jeho pád neustále zpomaloval, s tím jak by se objekt blížil k horizontu událostí. Z hlediska pozorovatele by zmíněnému tělesu trvala cesta nekonečně dlouho, takže by horizontu událostí vlastně nikdy nedosáhlo. Všechny procesy, k nimž by na tomto objektu docházelo, by se pro člověka vně černé díry zpomalovaly a případné vyzařované světlo by rudlo a temnělo. Mluvíme o tzv. gravitačním rudém posuvu, a pokud takové těleso dosáhne horizontu událostí, vnějšímu pozorovateli navždy zmizí.

Naopak případný „nezničitelný“ pozorovatel, jenž by klesal do černé díry, by si ničeho podobného nevšiml. Čas by mu ubíhal normálně a následně by překročil horizont událostí, přičemž by vůbec nemohl zjistit, kdy k tomu došlo – z lokálních pozorování to totiž není možné určit. 

3. Singularita může být nahá

Nahá singularita se neschovává zbaběle za horizontem událostí – a mohli bychom ji tak pozorovat

Nacházejí-li se černá díra a její singularita uvnitř horizontu událostí, nelze je přímo pozorovat, neboť odtud neunikne ani světlo. Co kdyby však existovala gravitační singularita bez horizontu událostí? Fyzici jí přezdívají nahá singularita, a pokud doopravdy existuje, znamená to, že by bylo možné pozorovat gravitační kolaps velké hvězdy nebo podobného objektu do tělesa s nekonečnou hustotou. Potíž je v tom, že obecná relativita nedokáže předpovědět osud časoprostoru v blízkosti gravitační singularity. 

Nahé singularity jsou pro obecnou relativitu dokonce natolik problematické, že jejich existenci v našem vesmíru vylučuje hypotéza kosmické cenzury, podle níž nebyla nahá singularita k vidění od Velkého třesku. Někteří příznivci smyčkové kvantové gravitace se však domnívají, že by nahé singularity přece jen mohly v našem kosmu existovat – nikdo je dosud nepozoroval, ale totéž přece platí i pro horizont událostí. Osud nahých singularit tak zřejmě opět vyřeší až kvantová teorie gravitace. 

4. Černé díry nemají vlasy

Informace o hmotě, která tvoří černou díru, představují jakési „vlasy“. A nenávratně mizí za horizontem událostí

Astrofyzici se denně zabývají věcmi daleko za hranicemi nejbujnější představivosti a stali se z nich mistři metafor. Ačkoliv to tedy zní zvláštně, podle převládajících názorů černé díry skutečně nemají vlasy. Z rovnic obecné relativity plyne, že černé díry lze popsat pouhými třemi z vnějšku pozorovatelnými vlastnostmi: hmotou, elektrickým nábojem a momentem hybnosti. Všechny ostatní informace o hmotě, která utváří černou díru nebo do ní spadla, představují ve zmíněné metafoře ony „vlasy“ – a nenávratně mizí za horizontem událostí. Proto černé díry nemají vlasy. 

Uvedená představa přežívá už dlouho, i když se ji čas od času někdo pokusí zpochybnit. Černé díry by prý mohly mít vlasy v případě, že by časoprostor sestával z více rozměrů nebo by obecnou relativitu sesadila z trůnu jiná teorie gravitace.

5. Černé díry vymysleli v 18. století

Obecně zažitý mýtus, že otcem černých děr je Albert Einstein, se nezakládá na pravdě 

Otcem černých děr není Albert Einstein, přestože stvořil obecnou teorii relativity, v jejíchž rovnicích se černé díry skrývají. Nicméně idea těles tak hmotných, že z nich neunikne ani světlo, je o dost starší. Pokud víme, poprvé se o nich zmínil anglický filozof a přírodovědec John Michell v dopise, který roku 1783 adresoval výstřednímu britskému přírodovědci Henrymu Cavendishovi. O „temných hvězdách“ psal také v roce 1796 matematik Pierre-Simon Laplace, pak se však na více než sto let z fyziky vytratily, protože nebylo jasné, jak by mohla gravitace ovlivňovat světlo.

Pokračování: Tajemství černých děr: 15 podivuhodných a málo uvěřitelných faktů (2)

Vztahem mezi pohybem světla a gravitací se na začátku 20. století zabýval právě Einstein ve své obecné relativitě. V listopadu 1915 představil rovnice gravitačního pole, které už počátkem roku 1916 vyřešil astrofyzik Karl Schwarzschild, načež z jeho řešení vykoukly černé díry. Nejprve se jim říkalo zamrzlé hvězdy neboli frozen stars. O „černých dírách“ psala v této souvislosti poprvé novinářka Ann Ewingová ve svém článku z počátku roku 1964, a poté co se o nich v roce 1967 zmínil na fyzikální konferenci teoretický fyzik John Wheeler, zapustil fantastický termín definitivně hluboké kořeny.