Čierne diery sú možno najzáhadnejšie objekty vo vesmíre. Pokiaľ samozrejme nie sú veci skryté niekde v hlbinách, ktorých existenciu nepoznáme a nemôžeme vedieť, čo je nepravdepodobné. Čierne diery sú kolosálna hmotnosť a hustota stlačené do jedného bodu malého polomeru. Fyzikálne vlastnosti týchto objektov sú také zvláštne, že lákajú tých najsofistikovanejších fyzikov a astrofyzikov. Sabine Hossfender, teoretická fyzička, zostavila výber desiatich faktov o čiernych dierach, ktoré by mal každý vedieť.
Čo je čierna diera?
Rozhodujúcou vlastnosťou čiernej diery je jej horizont. Toto je hranica, za ktorú sa už nemôže vrátiť nič, ani svetlo. Ak sa oddelená oblasť navždy oddelí, hovoríme o „horizonte udalostí“. Ak je oddelený iba dočasne, hovoríme o „viditeľnom obzore“. Ale toto „dočasné“by tiež mohlo znamenať, že oblasť bude oddelená oveľa dlhšie, ako je súčasný vek vesmíru. Ak je horizont čiernej diery dočasný, ale trvá dlho, rozdiel medzi prvou a druhou je rozmazaný.
Aké veľké sú čierne diery?
Môžete si predstaviť horizont čiernej diery ako guľu a jej priemer bude priamo úmerný hmotnosti čiernej diery. Preto čím viac hmoty spadne do čiernej diery, tým väčšia bude čierna diera. V porovnaní s hviezdnymi objektmi sú však čierne diery malé, pretože hmota je stlačená na veľmi malé objemy pod vplyvom ohromného gravitačného tlaku. Polomer čiernej diery napríklad s hmotnosťou planéty Zem je len pár milimetrov. To je 10 000 000 000 krát menej ako súčasný polomer Zeme.
Propagačné video:
Polomer čiernej diery sa nazýva Schwarzschildov polomer po Karlovi Schwarzschildovi, ktorý najskôr odvodil čierne diery ako riešenie Einsteinovej všeobecnej teórie relativity.
Čo sa deje na obzore?
Keď prekročíte obzor, nič zvláštne sa okolo vás nedeje. Všetko kvôli Einsteinovmu princípu ekvivalencie, z ktorého vyplýva, že nemôžete nájsť rozdiel medzi zrýchlením v plochom priestore a gravitačným poľom, ktoré vytvára zakrivenie vesmíru. Pozorovateľ ďaleko od čiernej diery, ktorý sleduje, ako do nej padá niekto iný, si však všimne, že sa bude blížiť k horizontu pohybovať pomalšie a pomalšie. Je to, akoby sa čas pohyboval pomalšie od horizontu udalostí, než od horizontu. Nejaký čas však uplynie a pozorovateľ padajúci do diery prekoná horizont udalostí a ocitne sa v okruhu Schwarzschildovcov.
To, čo zažijete na obzore, závisí od slapových síl gravitačného poľa. Slapové sily na obzore sú nepriamo úmerné štvorcu hmotnosti čiernej diery. To znamená, že čím je čierna diera väčšia a mohutnejšia, tým menšia je sila. A ak je len čierna diera dostatočne veľká, môžete prekročiť horizont skôr, ako si vôbec všimnete, že sa niečo deje. Účinok týchto slapových síl vás natiahne: technický termín, ktorý na to fyzici používajú, je špagetizácia.
V počiatkoch všeobecnej teórie relativity sa verilo, že na obzore je jedinečnosť, ale ukázalo sa, že to tak nebolo.
Čo je vo vnútri čiernej diery?
Nikto to nevie naisto, ale rozhodne nie regál na knihy. Všeobecná relativita predpovedá, že v čiernej diere existuje singularita, miesto, kde sú slapové sily nekonečne veľké, a akonáhle prekročíte horizont udalostí, nemôžete ísť nikam inam, ako do singularity. Preto je lepšie na týchto miestach nepoužívať všeobecnú teóriu relativity - jednoducho to nefunguje. Aby sme vedeli povedať, čo sa deje vo vnútri čiernej diery, potrebujeme teóriu kvantovej gravitácie. Všeobecne sa uznáva, že táto teória nahradí singularitu niečím iným.
Ako vznikajú čierne diery?
V súčasnosti poznáme štyri rôzne spôsoby vzniku čiernych dier. Najlepšie pochopenie súvisí s hviezdnym kolapsom. Dosť veľká hviezda vytvorí čiernu dieru po zastavení svojej jadrovej fúzie, pretože bolo syntetizované všetko, čo už bolo možné syntetizovať. Keď tlak vytvorený fúziou prestane, hmota začne klesať smerom k vlastnému gravitačnému stredu a bude čoraz hustejšia. Nakoniec zhustne natoľko, že nič nedokáže prekonať gravitačný vplyv na povrch hviezdy: takto vzniká čierna diera. Tieto čierne diery sa nazývajú „čierne diery slnečnej hmoty“a sú najbežnejšie.
Ďalším bežným typom čiernej diery je „supermasívna čierna diera“, ktorú možno nájsť v centrách mnohých galaxií a ktorej hmotnosť je asi miliónkrát vyššia ako v prípade čiernych slnečných dier. Zatiaľ nie je presne známe, ako sa formujú. Predpokladá sa, že kedysi začínali ako čierne diery slnečnej hmoty, ktoré konzumovali mnoho ďalších hviezd v husto osídlených galaktických centrách a rástli. Zdá sa však, že absorbujú hmotu rýchlejšie, ako naznačuje táto jednoduchá myšlienka, a ako presne to robia, je ešte stále predmetom výskumu.
Kontroverznejšou myšlienkou boli prvotné čierne diery, ktoré mohla byť tvorená takmer ľubovoľnou hmotou pri veľkých fluktuáciách hustoty v ranom vesmíre. Aj keď je to možné, je ťažké nájsť model, ktorý by ich produkoval, bez ich nadmerného vytvárania.
Napokon existuje veľmi špekulatívna myšlienka, že by sa na Veľkom hadrónovom urýchľovači mohli vytvoriť malé čierne diery s hmotnosťou blízkou Higgsovmu bozónu. Funguje to iba vtedy, ak má náš vesmír ďalšie rozmery. Zatiaľ sa nepotvrdilo v prospech tejto teórie.
Ako vieme, že existujú čierne diery?
Máme veľa pozorovacích dôkazov pre kompaktné objekty s veľkými hmotnosťami, ktoré nevyžarujú svetlo. Tieto objekty sa vzdávajú gravitačnou príťažlivosťou, napríklad v dôsledku pohybu iných hviezd alebo oblakov plynu okolo nich. Tiež vytvárajú gravitačné šošovky. Vieme, že tieto objekty nemajú pevný povrch. Vyplýva to z pozorovaní, pretože hmota padajúca na objekt s povrchom by mala spôsobiť uvoľnenie viac častíc ako hmota padajúca cez horizont.
Prečo Hawking minulý rok povedal, že čierne diery neexistujú?
Myslel tým, že čierne diery nemajú horizont večných udalostí, ale iba dočasný zdanlivý horizont (pozri odsek 1). V prísnom zmysle slova sa za čiernu dieru považuje iba horizont udalostí.
Ako čierne diery vyžarujú žiarenie?
Čierne diery vyžarujú žiarenie v dôsledku kvantových efektov. Je dôležité si uvedomiť, že sa jedná o kvantové účinky hmoty, nie o kvantové účinky gravitácie. Dynamický časopriestor kolabujúcej čiernej diery mení samotnú definíciu častice. Rovnako ako plynutie času, ktorý je skreslený vedľa čiernej diery, je aj koncept častíc príliš závislý od pozorovateľa. Najmä keď si pozorovateľ padajúci do čiernej diery myslí, že padá do vákua, pozorovateľ ďaleko od čiernej diery si myslí, že nejde o vákuum, ale o priestor plný častíc. Tento efekt spôsobuje rozťahovanie časopriestoru.
Prvýkrát objavil Stephen Hawking, žiarenie emitované čiernou dierou sa nazýva Hawkingovo žiarenie. Toto žiarenie má teplotu nepriamo úmernú hmotnosti čiernej diery: čím menšia je čierna diera, tým vyššia je teplota. Hviezdne a supermasívne čierne diery, ktoré poznáme, majú teploty hlboko pod teplotou mikrovlnného pozadia, a preto nie sú pozorované.
Čo je to informačný paradox?
Paradox straty informácií je spôsobený Hawkingovým žiarením. Toto žiarenie je čisto tepelné, to znamená, že má teplotu iba náhodou a má určité vlastnosti. Samotné žiarenie neobsahuje žiadne informácie o tom, ako vznikla čierna diera. Ale keď čierna diera emituje žiarenie, stráca hmotnosť a sťahuje sa. To všetko je úplne nezávislé od látky, ktorá sa stala súčasťou čiernej diery alebo z ktorej vznikla. Ukazuje sa, že keď poznáme iba konečný stav odparovania, nemožno povedať, z čoho vznikla čierna diera. Tento proces je „nezvratný“- a háčik je v tom, že v kvantovej mechanike taký proces neexistuje.
Ukazuje sa, že odparovanie čiernej diery je nezlučiteľné s kvantovou teóriou, ktorú poznáme, a treba s tým niečo urobiť. Nejako odstrániť nekonzistentnosť. Väčšina fyzikov verí, že riešením je, že Hawkingovo žiarenie musí nejako obsahovať informácie.
Čo navrhuje Hawking na riešenie paradoxu informácií o čiernych dierach?
Myšlienka je taká, že čierne diery musia mať spôsob ukladania informácií, ktoré ešte neboli prijaté. Informácie sú uložené na obzore čiernej diery a môžu spôsobiť malé posuny častíc v Hawkingovom žiarení. V týchto malých posunutiach môžu byť informácie o uviaznutej hmote. Presné podrobnosti tohto procesu sú v súčasnosti nejasné. Vedci čakajú na podrobnejší technický príspevok od Stephena Hawkinga, Malcolma Perryho a Andrewa Stromingera. Tvrdia, že sa objaví koncom septembra.
V tejto chvíli sme si istí, že čierne diery existujú, vieme, kde sú, ako sa formujú a čo sa nakoniec stane. Ale podrobnosti o tom, kam k nim informácie smerujú, stále predstavujú jednu z najväčších záhad vesmíru.
Iľja Khel