Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 4
Vesmír č. 4
Toto číslo vychází
6. 4. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Dubnové číslo Vesmíru
• Biologické čtvrtky ve Viničné
program na nejbližší semestr
reklama

Stíny černých děr

Astrofyzikální testy obecné relativity

| seriál: Černé díry |
Publikováno: Vesmír 94, 638, 2015/11

S rostoucí citlivostí astronomických detektorů se zdá být možné, že v blízké budoucnosti budeme schopni vyfotografovat černou díru, přesněji řečeno její siluetu. Bude při takovém měření potvrzena platnost Einsteinovy teorie obecné relativity anebo bude třeba přijmout nové modely pro popis prostoročasu okolo černých děr?

Einsteinova obecná teorie relativity, popisující gravitaci pomocí zakřivení prostoročasu, se bez vážnější újmy na zdraví dožívá úctyhodných 100 let. Správně dokázala předpovědět ohýbání světelných paprsků v gravitačním poli, stáčení perihelia Merkuru nebo tzv. gravitační rudý posuv světla. Platnost teorie relativity zatím potvrzují všechny experimenty učiněné pomocí nejcitlivějších detektorů v slabém gravitačním poli Země. Potvrzení Einsteinovy teorie se podařilo i v silném gravitačním poli na základě měření časových odchylek v periodě dvou obíhajících pulzarů. Případné neduhy obecné teorie relativity jsou tak jen koncepčního rázu.

Tím největším problémem je nesoulad obecné teorie relativity s kvantovou teorií. Dosavadní pokusy kvantovat gravitační pole a nalézt tak cestu k unifikované teorii fundamentálních interakcí elementárních částic nezaznamenaly zatím výraznější úspěchy. Sjednocená teorie přitom hraje zásadní roli v popisu raných stadií vývoje vesmíru. Dalším koncepčním problémem jsou singularity ukryté v nitrech černých děr, ve kterých obecná relativita předpovídá těžko uvěřitelné nekonečné hodnoty křivosti prostoročasu i dalších fyzikálních veličin. Obecná relativita předpovídá pro finální stadium gravitačního kolapsu hmoty jediné možné černoděrové řešení Einsteinových rovnic ve formě prostoročasové geometrie zcela popsané hmotností černé díry, spinem určujícím rychlost její rotace a jejím astrofyzikálně nepříliš realistickým elektrickým nábojem. Všechny ostatní vlastnosti hmoty i polí, ze kterých byla černá díra zformována, jsou skryty pod horizontem událostí, přes který nelze zvenčí nahlédnout. Častým poetickým vyjádřením této skutečnosti je věta „Černá díra nemá vlasy“, kterou zformuloval John Archibald Wheeler, jeden z otců-zakladatelů relativistické astrofyziky a autor samotného slovního spojení „černá díra“. Geometrie prostoročasu okolo rotující a nenabité černé díry byla poprvé odvozena v roce 1963 novozélandským matematikem Royem Kerrem, a proto se také nazývá Kerrova geometrie.

Pozorování skutečné geometrie prostoročasu v okolí černých děr, která by se lišila od Kerrova popisu, by bylo výrazným signálem k hluboké revizi relativistické fyziky a snad i ukazatelem směru k nové alternativní teorii (možná i kvantové) gravitace. Kandidátů na nástupce obecné teorie relativity stojí ve frontě dostatek a jsou mezi nimi například různé varianty hypotézy hyperprostorových bránových světů inspirované vícerozměrnou Kaluzovou-Kleinovou relativitou a superstrunovými teoriemi, skalárně- tenzorové teorie předpovídající černé díry přece jenom s vlasy, kvantová Hořavova gravitace pracující s anizotropií času a prostoru při vysokých energiích nebo relativistická verze modifikované Newtonovy dynamiky (MOND).

Stíny a siluety černých děr jako otisky prostoročasové geometrie

Přestože nám princip kauzality a konečná rychlost světla nedovolují nahlédnout přímo do nitra černých děr, okolní zakřivený prostoročas o nich může ledacos napovědět. Černé díry se vzdáleným pozorovatelům promítají na hvězdném pozadí v podobě temných stínů v důsledku extrémního zakřivení světelných paprsků v blízkém okolí zdrojů silné gravitace. Zachytit tyto stíny ovšem není nic jednoduchého. Nejbližší černé díry v naší Galaxii jsou tisíce světelných let daleko a jejich rozměry nejsou přitom větší než jen několik desítek kilometrů.

Výjimkou je superhmotná díra sedící v samotném středu Mléčné dráhy, v astronomické klasifikaci označovaná jako Sagittarius A*. Ta nevznikla gravitačním zhroucením jedné hvězdy, ale mnoha milionů hvězd, anebo vznikla ještě dříve, než se hvězdy vůbec začaly rodit. Její hmotnost se odhaduje na 4 miliony hmot Sluncí. Odpovídající Schwarzschildův poloměr je asi 12 milionů km, tedy zhruba 17násobek poloměru Slunce. Pro velkou vzdálenost je ale její úhlový rozměr velmi nepatrný, řádově jen několik desítek miliontin obloukové vteřiny.

I takto nepatrný rozměr je však možné rozlišit pozemskými detektory při využití velmi citlivé techniky interferometrie, kdy se skládá signál z více detektorů současně. Právě budování takovýchto propojených sítí nyní zaměstnává řadu astronomů z celého světa s jasným cílem zachytit siluetu černé díry ve středu Mléčné dráhy. Projekt Evropské jižní observatoře (ESO), nazvaný výstižně Gravity, využije nejcitlivějších detektorů zabudovaných do dalekohledů na hoře Mt. Paranal v Chile. Díky tomuto experimentu bude možné studovat hmotu, která hraničí s černou dírou nebo do ní přímo padá. Nová data by nám měla objasnit původ záblesků v blízké infračervené oblasti, které byly v minulosti již několikrát pozorovány.

Ještě ambicióznějším projektem je Event Horizon Telescope, vedený předními univerzitami ve Spojených státech amerických. Opět nejde jen o jeden dalekohled, ale o celosvětovou síť antén, do které se postupně zapojí stanice s dalekohledy ve Spojených státech, na Havaji, v Chile, v Evropě i na jižním pólu na Antarktidě (obr. 2 a obr. 3 na straně 639). Citlivé detektory budou analyzovat záření přicházející na vlnových délkách kratších než milimetr, tedy v tzv. v submilimetrové oblasti. Jak název projektu napovídá, jeho cílem je studium horizontu událostí, tedy samotné hranice černé díry. Bude tak možné poprvé studovat stíny, které černé díry vytvářejí na pozadí záření hmoty, jež do nich padá.

Samotné stíny ale nejsou tak zajímavé jako jejich okraje, které jsou formovány paprsky unikajícími z těsné blízkosti černých děr, kde silná gravitace dočasně zachycuje fotony na sférických orbitách. Unikající paprsky jsou na své komplikované pouti z hloubky gravitačního pole až ke vzdálenému pozorovateli ohýbány zakřivením prostoročasu a strhávány jeho rotací. Siluety černých děr jsou proto charakteristickými otisky prostoročasové geometrie a jejich tvar výrazně závisí nejen na rotaci černé díry, ale i na inklinaci vzdáleného pozorovatele vůči černoděrové ose rotace (obr. 4). Pro testy obecné relativity je klíčové, jestli se ve tvaru siluet objeví odchylky od čisté Kerrovy geometrie (obr. 5)

Oblíbenou alternativou relativistické kosmologie je model bránového světa Lisy Randallové a Ramana Sundruma založený na představě našeho vesmíru jako třídimenzionální membrány plující pětirozměrným hyperprostorem (obr. 6). Bránový náboj popisující vazbu mezi naším prostoročasem a „bulk“ hyperprostorem vystupuje v rovnicích gravitačního pole formálně na místě druhé mocniny elektrického náboje, ačkoli by mohl nabývat i záporných hodnot. Kladným i záporným bránovým nábojům odpovídají specifické „bránové“ deformace černoděrových prostoročasů a následně i siluet černých děr (obr. 5). Existují také radikálnější alternativní teorie, které nahrazují samotné černé díry jinými, ještě o něco podivnějšími kosmickými monstry. Například některé verze superstrunových teorií dovolují spekulovat o existenci superspinarů, které rotují rychleji než extrémní černé díry s horizontem událostí rotujícím rychlostí světla. Exotické superspinary by se prozradily neméně exotickými optickými efekty.

Zda se můžeme těšit na objev nových exotických objektů, ukážou až nová pozorování. Pochopitelně v reálných astrofyzikálních situacích budou jemné geometrické detaily stínů i siluet opticky rozmazány a znečištěny intenzivním zářením plynu a prachu v těsném okolí černých děr i na dlouhé cestě k nám. Supermasivní černá díra v centru Mléčné dráhy není ovšem na rozdíl od aktivních galaktických jader a kvazarů hmotou krmena příliš masivně. Pokud Event Horizon Telescope (EHT) získá dostatečnou úhlovou rozlišovací schopnost, bude možné stín i siluetu černé díry v záření okolních struktur dobře rozlišit (obr. 7). V případě úspěchu budeme mít příležitost nejenom testovat předpovědi obecné relativity a jejích alternativ, ale i poprvé uvidět skutečně silné zakřivení prostoročasu téměř na vlastní oči.

Literatura

Fréderic Marin, Vladimír Karas: Superhmotné černé díry, pulzující srdce galaxií, Vesmír 94, 210, 2015/4.

Michal Bursa, Vladimír Karas: Obraz horizontu (Budeme mít dalekohled schopný ukázat černou díru?), Vesmír 89, 226, 2010/4.

Vladimír Karas: Nový pohled do středu Galaxie (O čem svědčí záblesky infračerveného světla?), Vesmír 88, 24, 2009/1.

ESO Gravity, webová stránka, www.eso.org/sci/facilities/develop/instruments/gravity.html.

Event Horizon Telescope, webová stránka, www.eventhorizontelescope.org/.

Roy Maartens: Brane-World Gravity, www.livingreviews.org/lrr-2004-7.

Brian Greene: Elegantní vesmír, Paseka, Praha 2013. Lise Randallová: Tajemství skrytých dimenzí vesmíru, Paseka, Praha 2014.

SLOVNÍČEK

Horizont událostí – je matematicky definované rozhraní mezi černou dírou a pozorovatelem. Pro nerotující černou díru je horizont událostí sféra o Schwarzschildově poloměru. Jeho velikost je přímo úměrná hmotnosti M černé díry, Rg = 2GM/c2, kde G je gravitační konstanta a c je rychlost světla. Pro hvězdu velikosti našeho Slunce je Schwarzschildův poloměr zhruba 3 km.

Kaluzovy-Kleinovy teorie – ve dvacátých letech minulého století se Kaluza a Klein pokoušeli sjednotit gravitaci a elektromagnetismus zavedením pátého rozměru. Jejich pokusy ožily po sedmdesáti letech v souvislosti s vícerozměrnými teoriemi supergravitace a s teorií strun.

Soubory

článek ve formátu pdf: V201511_638-641.pdf (842 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky