V zamotaných komnatách čiernych dier sa zrazia dve základné teórie o našom svete. Skutočne existujú čierne diery? Zdá sa, že áno. Môžu sa vyriešiť základné problémy, ktoré sa objavia po bližšom preskúmaní čiernych dier? Neznáme. Aby ste pochopili, s čím vedci jednajú, budete sa musieť trochu ponoriť do histórie štúdia týchto neobvyklých predmetov. A začneme skutočnosťou, že zo všetkých síl, ktoré existujú vo fyzike, je tá, ktorej nerozumieme vôbec: gravitácia.
Gravitácia je priesečníkom základnej fyziky a astronómie, hranice, na ktorej sa zrazia dve z najzákladnejších teórií popisujúcich náš svet: kvantová teória a Einsteinova teória časopriestoru a gravitácie, nazývaná všeobecná relativita.
Čierne diery a gravitácia
Tieto dve teórie sa zdajú byť nekompatibilné. A to nie je ani problém. Existujú v rôznych svetoch, kvantová mechanika popisuje veľmi malé a všeobecná relativita popisuje veľmi veľké.
Obidve teórie sa zrazia a až sa ukáže, že jedna z nich sa mýli, iba keď sa dostanete do extrémne malých mierok a extrémnej gravitácie. V každom prípade to vyplýva z teórie.
Ale vo vesmíre je jedno miesto, kde by sme mohli skutočne vidieť tento problém a možno ho dokonca vyriešiť: okraj čiernej diery. Tu sa stretávame s najextrémnejšou gravitáciou. Je tu však jeden problém: nikto nikdy nevidel čiernu dieru.
Propagačné video:
Čo je čierna diera?
Predstavte si, že všetky drámy vo fyzickom svete sa odohrávajú v divadle časopriestoru, ale gravitácia je jedinou silou, ktorá skutočne mení divadlo, v ktorom sa hrá.
Gravitačná sila riadi vesmír, ale nemusí to byť ani sila v tradičnom slova zmysle. Einstein to opísal ako dôsledok deformácie časopriestoru. A možno to jednoducho nezapadá do štandardného modelu fyziky častíc.
Keď na konci svojej životnosti exploduje veľmi veľká hviezda, jej najvnútornejšia časť sa zrúti pod vlastnou gravitáciou, pretože už nie je dostatok paliva na udržanie tlaku proti gravitácii. Koniec koncov, gravitácia je stále schopná vyvinúť silu, vyzerá to takto.
Hmota sa zrúti a tento kolaps nemôže opustiť žiadna sila v prírode.
V priebehu nekonečného času sa hviezda zrúti do nekonečného bodu: singularita alebo to nazveme čiernou dierou. Ale v konečnom čase sa samozrejme hviezdne jadro zrúti do niečoho z konečných rozmerov a stále bude mať obrovskú masu v nekonečne malej oblasti. A bude sa to tiež nazývať čierna diera.
Čierne diery všetko nedajú nasávať
Je pozoruhodné, že myšlienka, že čierna diera nevyhnutne nasaje všetko do seba, je zlá.
V skutočnosti, či obiehate okolo hviezdy alebo čiernej diery vytvorenej z hviezdy, nezáleží na tom, pokiaľ hmotnosť zostane rovnaká. Dobrá staromódna odstredivá sila a vaša uhlová hybnosť vás udržia v bezpečí a zabránia vám v páde.
Až keď zatiahnete vaše raketové brzdy, aby ste prerušili rotáciu, začnete padať dovnútra.
Hneď ako začnete padať do čiernych dier, postupne sa zrýchľujete na stále vyššie rýchlosti, až kým nedosiahnete konečnú rýchlosť svetla.
Prečo sú kvantová teória a všeobecná relativita nekompatibilné?
Momentálne je všetko na kúsky, pretože v súlade so všeobecnou relativitou sa nič nemôže pohybovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla.
Svetlo je substrát používaný v kvantovom svete na výmenu síl a prenos informácií do makrokozmu. Svetlo určuje, ako rýchlo sa môžete spojiť s príčinou a následkom. Ak sa pohybujete rýchlejšie ako svetlo, môžete vidieť udalosti a zmeniť veci skôr, ako k nim dôjde. A to má dva dôsledky:
- V bode, kde dosiahnete rýchlosť svetla klesnutím dovnútra, musíte z tohto bodu vyletieť ešte vyššou rýchlosťou, čo sa zdá byť nemožné. Preto vám konvenčná fyzická múdrosť povie, že čiernu dieru nič nemôže opustiť porušením tejto bariéry, ktorú nazývame aj „horizont udalostí“.
- Z toho tiež vyplýva, že sa náhle porušujú základné princípy zachovania kvantovej informácie.
Či je to pravda a ako môžeme modifikovať teóriu gravitácie (alebo kvantovej fyziky), sú otázky, na ktoré mnohí fyzici hľadajú odpovede. A nikto z nás nemôže povedať, s ktorými argumentmi skončíme.
Existujú čierne diery?
Je zrejmé, že toto vzrušenie by bolo opodstatnené iba vtedy, ak by v tomto vesmíre skutočne existovali čierne diery. Takže existujú?
V minulom storočí bolo presvedčivo dokázané, že niektoré binárne hviezdy s intenzívnymi röntgenovými lúčmi sú skutočne hviezdami, ktoré sa zrútili do čiernych dier.
Navyše v centrách galaxií často nachádzame dôkazy o obrovských koncentráciách temnej hmoty. Mohli by to byť supermasívne verzie čiernych dier, ktoré pravdepodobne vznikli zlúčením mnohých hviezd a oblakov plynu, ktoré sa vrhli do stredu galaxie.
Dôkazy sú silné, ale nepriame. Gravitačné vlny nám umožnili „počuť“zlúčenie čiernych dier, ale podpis horizontu udalostí je stále nepolapiteľný a doteraz sme „čierne diery“nikdy nevideli - sú jednoducho príliš malé, príliš vzdialené a vo väčšine prípadov príliš čierne.
Ako vyzerá čierna diera?
Ak sa pozriete priamo do čiernej diery, uvidíte najtmavšiu temnotu, akú si viete predstaviť.
Bezprostredné okolie čiernej diery však môže byť dosť jasné, pretože plynová špirála dovnútra sa spomaľuje v dôsledku odporu magnetických polí, ktoré nesú.
V dôsledku magnetického trenia je plyn zahrievaný na enormné teploty niekoľko desiatok miliárd stupňov a začína emitovať ultrafialové a röntgenové lúče.
Veľmi horúce elektróny interagujúce s magnetickým poľom v plyne začínajú produkovať intenzívne rádiové emisie. Čierne diery tak môžu žiariť a môžu byť obklopené ohnivým kruhom emitujúcim rôzne vlnové dĺžky.
Ohnivý kruh s čierno-čiernym stredom
A predsa, priamo v strede, horizont udalostí zachytí, ako dravý vták, každý fotón, ktorý sa príliš priblíži.
Pretože priestor je zakrivený obrovskou hmotou čiernej diery, dráhy svetla sa tiež ohýbajú a dokonca tvoria takmer sústredné kruhy okolo čiernej diery, ako hadi okolo hlbokého údolia. Tento prsteň svetelného efektu bol vypočítaný už v roku 1916 slávnym matematikom Davidom Hilbertom len pár mesiacov po dokončení teórie všeobecnej relativity Albertom Einsteinom.
Po viacnásobnom prechode čiernou dierou môžu niektoré svetelné lúče uniknúť, zatiaľ čo iné skončia v horizonte udalostí. Na tejto zložitej ceste svetla sa môžete doslova nahliadnuť do čiernej diery. A „nič“, ktoré sa vám zdá, bude horizontom udalostí.
Keby ste urobili fotografiu čiernej diery, videli by ste čierny tieň obklopený žiariacou hmlou svetla. Túto funkciu sme nazvali tieň čiernej diery.
Je pozoruhodné, že tento tieň sa zdá byť väčší, ako by sa dalo očakávať, ak vezmeme priemer horizontu udalostí za jeho pôvod. Dôvod je ten, že čierna diera pôsobí ako obrovská šošovka, ktorá sa zosilňuje.
Tieňové prostredie bude predstavovať malý „fotónový prsteň“kvôli svetlu, ktoré sa krúti okolo čiernej diery takmer navždy. Okrem toho sa v blízkosti horizontu udalosti objaví viac krúžkov svetla, ale vďaka efektu šošoviek sa sústredí okolo tieňa čiernej diery.
Fantázia alebo realita?
Mohla by byť čierna diera skutočným vynálezom, ktorý je možné modelovať iba na počítači? Alebo to vidíte v praxi? Odpoveď: je to možné.
Vo vesmíre sú dve relatívne blízko supermasívne čierne diery, ktoré sú také veľké a tesné, že ich tiene sa dajú zachytiť pomocou moderných technológií.
V strede našej Mliečnej dráhy sú vzdialené 26 000 svetelných rokov s hmotnosťou 4 milióny krát hmotnosťou Slnka a čierna diera v obrovskej eliptickej galaxii M87 (Messier 87) s hmotnosťou 3 až 6 miliárd slnečných hmôt.
M87 je tisíckrát ďalej, ale tisíckrát masívnejší a tisíckrát väčší, takže oba objekty budú mať približne rovnaký priemer tieňa premietaného na oblohe.
Pozrite sa na zrnko horčice v New Yorku z Európy
Zhodou okolností jednoduché teórie žiarenia predpovedajú, že pre oba objekty bude žiarenie generované v blízkosti horizontu udalosti vyžarované pri rádiových frekvenciách 230 Hz a viac.
Väčšina z nás sa s týmito frekvenciami stretne iba vtedy, keď musíme prejsť skenerom na modernom letisku. Čierne diery v nich neustále plávajú.
Toto žiarenie má veľmi krátku vlnovú dĺžku - rádovo milimeter - ktorú ľahko absorbuje voda. Aby mohol ďalekohľad pozorovať kozmické milimetrové vlny, musí sa umiestniť vysoko na suchej hore, aby sa zabránilo pohlcovaniu žiarenia v zemskej troposfére.
V zásade potrebujeme milimetrový ďalekohľad, ktorý môže vidieť niekde v Holandsku objekt s veľkosťou horčičného semena v New Yorku. Tento ďalekohľad bude tisíckrát ostrejší ako Hubbleov vesmírny ďalekohľad a pri milimetrových vlnových dĺžkach bude taký ďalekohľad Atlantický oceán alebo väčší.
Virtuálny teleskop veľkosti Zeme
Našťastie nemusíme zakrývať Zem jedným rádiom, pretože dokážeme vybudovať virtuálny ďalekohľad s rovnakým rozlíšením, ktorý kombinuje údaje z ďalekohľadov v rôznych horách okolo Zeme.
Táto technika sa nazýva syntéza clony a veľmi dlhá základná interferometria (VLBI). Táto myšlienka je dosť stará a dokázaná v priebehu niekoľkých desaťročí, ale až teraz je možné ju uplatniť pri vysokých rádiových frekvenciách.
Prvé úspešné experimenty ukázali, že štruktúry horizontu udalostí možno skúmať pri takýchto frekvenciách. Teraz je potrebné vykonať taký experiment vo veľkom meradle.
Práca už prebieha
Projekt BlackHoleCam je európsky projekt zameraný na dokonalý obraz, meranie a porozumenie astrofyzikálnych čiernych dier. Európsky projekt je súčasťou globálnej spolupráce - konzorcium Event Horizon Telescope, do ktorého je zapojených viac ako 200 vedcov z Európy, Ameriky, Ázie a Afriky. Spoločne chcú nasnímať prvý obrázok čiernej diery.
V apríli 2017 pozorovali galaktické centrum a M87 s ôsmimi ďalekohľadmi na šiestich rôznych horách v Španielsku, Arizone, Havaji, Mexiku, Čile a na južnom póle.
Všetky ďalekohľady boli vybavené presnými atómovými hodinami na presnú synchronizáciu svojich údajov. Vedci zaznamenali niekoľko petabajtov nespracovaných údajov, a to vďaka prekvapivo dobrým poveternostným podmienkam na celom svete.
Fotografie čiernej diery
Ak vedci dokážu vidieť horizont udalostí, budú vedieť, že problémy, ktoré sa objavia na spojitosti kvantovej teórie a všeobecnej relativity, nie sú abstraktné, ale veľmi skutočné. Možno vtedy je možné ich vyriešiť.
To sa dá dosiahnuť získaním jasnejších snímok tieňov čiernych dier alebo sledovaním hviezd a pulzarov na ich ceste okolo čiernych dier pomocou všetkých dostupných metód na štúdium týchto objektov.
Možno to budú čierne diery, ktoré sa v budúcnosti stanú našimi exotickými laboratóriami.
Ilja Khel