Takhle vypadá černá díra. Jedinečný projekt spojil teleskopy celého světa a odhalil neviditelné těleso

Vědci z mezinárodního projektu Event Horizon Telescope (EHT) ve středu představili první fotografii černé díry v historii. Nachází se v jádru masivní eliptické galaxie Messier 87 v souhvězdí Panny a jde o jednu z vůbec nejhmotnějších černých děr v celém vesmíru. Od naší Sluneční soustavy je vzdálená 55 milionů světelných let. 

Vědecký tým, který za tímto objevem stojí, uvedl, že věda se bude dělit na období před touto fotografií – a po něm. „Věda dnes dává lekci politikům: když chcete získat obrázek černé díry, musíte spojit síly lidí ze čtyřiceti národností,“ komentovali vědci cestu k objevu. O úspěchu informovali na tiskových konferencích uspořádaných najednou na šesti místech ve světě – v Bruselu, Washingtonu, Santiagu de Chile, Šanghaji, Tchaj-peji a v Tokiu.

Černá díra je natolik hmotný objekt, který kolem sebe zakřivuje čas a prostor takovým způsobem, že z něj nemůže uniknout ani světlo. O její podobě a vlastnostech toho proto víme velice málo, až doposud totiž nebyla ani jediná černá díra přímo pozorovaná.

 

I když jsou už desítky let součástí vědeckofantastického žánru, ve skutečnosti jsou všechny černé díry ve filmech nebo seriálech jen vizualizacemi – a to stejné platí také o tom, co ukazují kosmické agentury. Vědci nicméně z chování vesmíru vyvodili, že černé díry existují.

Jak najít černou díru?

Žádný existující přístroj, který mají vědci k dispozici, není schopný černou díru odhalit. A proto astronomové z projektu EHT přišli s jiným řešením: Propojením osmi radioteleskopů na několika kontinentech vznikl virtuální teleskop, se kterým se v dubnu 2017 pokusili nasnímat vnější okraj superhmotné černé díry. Celý projekt stál přes 44 milionů euro.

Osm teleskopů, které sledovaly černé díry
Zdroj: EHT

Projektový ředitel EHT Sheperd Doeleman tento záměr přirovnal ke snaze vyfotografovat ze Země pomeranč, který by astronaut položil na povrch Měsíce.

Už jen samotné technické řešení je podle astronomů přelomové: kombinací simultánního pozorování několika radioteleskopů rozmístěných na různých místech naší planety dosahuje rozlišení několika statisícin úhlové vteřiny, což je zhruba tisícinásobný posun v rozlišovací schopnosti oproti možnostem, jakých dosahují ty největší pozemské dalekohledy.

Projekt EHT se zaměřil na dvě černé díry. Vědci studovali superhmotnou černou díru v centru Mléčné dráhy, což je galaxie, ve které se nachází mimo jiné i naše sluneční soustava. Konkrétně se vědci soustředili na komplex Sagittarius A, respektive velice silně zářící rádiový zdroj Sagittarius A*. Právě zde by se podle současného vědeckého poznání měla nacházet obří černá díra. Její velikost profesor Doeleman přirovnal k oběžné dráze Merkuru kolem Slunce.

Druhá černá díra byla ještě masivnější – a právě u ní se nakonec černou díru podařilo vyfotografovat. Nachází se v centru galaxie Messier 87, který je v souhvězdí Panny. Má hmotnost několika miliard našich Sluncí a řadí se mezi vůbec nejmasivnější známé černé díry. Pro zajímavost: odhaduje se, že každý den tato černá díra pohltí plyn o hmotnosti asi 90 Zemí. Od naší Sluneční soustavy je vzdálená 55 milionů světelných let.

Umělecká představa o supermasivní černé díře
Zdroj: NASA

Velikost horizontu událostí, tedy toho, co vědci sledovali, závisí na hmotnosti černé díry. Ta v oblasti Sagittarius A* má průměr 12,7 milionu kilometrů a její mocnější konkurent v galaxii Messier 87 dokonce 40 miliard kilometrů. Portál Space.com k tomu poznamenal, že pokud by se Země stala černou dírou, měla by průměr 17,4 milimetru.

„Černá díra, která se nachází v samotném středu galaxie Panna, které říkáme M87, se nachází ve vzdálenosti asi 55 milionů světelných let, což je zhruba tisíckrát dál, než se nachází černá díra ve středu naší Galaxie. A její hmotnost odhadujeme na nějakých 7 miliard hmotností Slunce, což je zase shodou okolností zase zhruba tisíckrát víc, než je hmotnost černé díry uprostřed naší Galaxie. A právě díky této shodě vidíme tu černou díru v cizí galaxii stejně velikou jako černou díru v naší Galaxii a můžeme Event Horizont Telescope použít k pozorování obou těchto objektů, přesto že ten jeden je od nás mnohem dál a sídlí v úplně jiné galaktické kupě,“ vysvětluje astronom Michal Bursa. 

Vyfotografovaný stín této černé díry měří asi 100 miliard kilometrů, samotný horizont událostí, tedy její hranice, je asi 2,5krát menší a má „pouhých“ 40 miliard kilometrů. Vědci svůj úspěch popsali v šesti článcích, které vyšly ve zvláštním vydání odborného časopisu The Astrophysical Journal Letters.

Simulace a realita: v horním řádku jsou simulace černé díry, v dolním pak výsledky reálných pozorování
Zdroj: EHT

„Předpokládali jsme, že pokud bude černá díra ve velmi jasné oblasti, jako je disk zářícího plynu, vytvoří temnou oblast podobnou stínu – něco, co předpověděla Einsteinova obecná teorie relativity a něco, co jsme doposud neviděli,“ prohlásil Heino Falcke z EHT. „Tento stín, který vznikl působením gravitace a zachycení světla horizontem událostí, odhaluje řadu podrobností o povaze těchto fascinujících objektů a také nám umožňuje měřit enormní hmotnost této masivní černé díry v M87,“ dodal.

Tuto oblast podobnou kruhu s centrální tmavou oblastí, stínem černé díry, potvrdila řada pozorování různými zobrazovacími metodami a vědcům se ukazovala po mnoha vyladěních přístrojů.

„Jakmile jsme si byli jistí, že jsme zobrazili stín, mohli jsme naše pozorování porovnat s rozsáhlými počítačovými modely, které obsahují například fyziku ohnutého prostoru, silných magnetických polí a hmoty ohřáté na extrémní teploty. Mnoho vlastností zobrazeného objektu odpovídá překvapivě věrně našim teoretickým předpokladům,“ popsal Paul T.P. Ho, který řídí jednu z observatoří, jež tuto černou díru zkoumala. 

Co odhaluje interferometrie

Vědci k pozorování využili metodu, která se nazývá interferometrie. Jedná se metodu, která z jednotlivých radiových teleskopů porovnává přijaté záznamy, jež jsou opatřeny časovými značkami: „Ty se tam dávají pomocí velice přesných a sladěných atomových hodin, které se zpozdí o jednu vteřinu za několik miliard let a počítač pomocí těchto časových značek nejprve sladí ty záznamy tak, aby nejprve fázově odpovídaly, a potom hledá v tomhle tom signálu vzorky pomocí Furierovy transformace, které potom převádí na obraz,“ popisuje astronom Michal Bursa z Astronomického ústavu Akademie věd.

„Protože my samozřejmě nemáme anténu, která by byla velikosti celé zeměkoule, tak nám část informací chybí a úlohou počítače je zrekonstruovat obraz tak, aby co nejlépe odpovídal tomu, co si myslíme, že by se mělo pozorovat. V principu je možné, že výsledkem té rekonstrukce obrazu není jeden konkrétní obrázek, ale nekonečné množství různých obrazů. A my z tohohle toho množství vybíráme nejpravděpodobnější, který nejvíce odpovídá tomu, co si myslíme, že bychom měli vidět,“ dodává Bursa.

Co jsou černé díry

Černá díra je neviditelným vesmírným objektem, jehož gravitační působení je v určité oblasti časoprostoru tak silné, že z něj nemůže uniknout žádná hmota – a dokonce ani světlo. Přitahuje všechno ze svého okolí podobně jako obrovský vír. Černou díru dělá černou takzvaný horizont událostí, což je okraj černé díry, ze kterého se už dostat nejde.

Černých děr existuje zřejmě mnoho druhů, základní dělení je rozděluje na tři skupiny, ale spekuluje se ještě o dalších. Ty nejmenší černé díry vznikají, když určitý druh hvězdy na konci své existence exploduje a zhroutí se. Podle kvalifikovaných odhadů existuje jen v Mléčné dráze asi 100 milionů těchto těles. Kromě malých černých děr, což jsou objekty s hmotnostmi v rozmezí zhruba deset až sto hmotností Slunce, existují i supermasivní černé díry, jejichž hmotnosti leží v rozmezí 100 tisíc až několik miliard hmotností Slunce a které se nacházejí v centrech většiny galaxií. Uvažuje se ale také o existenci zcela miniaturních černých děr, které by mohly být o velikosti atomu a mohly by existovat ve vesmíru prakticky kdekoliv – ty jsou ale díky jejich povaze v podstatě nedetekovatelné.

Astronomové nemohou černé díry pozorovat přímo, nicméně o jejich existenci mají už dlouho mnoho nepřímých důkazů. Černé díry totiž svou obrovskou gravitací intenzivně působí na okolí a vědci kolem nich pozorovali takzvané akreční disky tvořené hmotou, která kolem černé díry krouží, vysíla rentgenové záření a nakonec do ní padá.

Jeden z nejvýznamnějších českých astronomů Josip Kleczek ve své Velké encyklopedii vesmíru o černých dírách napsal: „Uprostřed černé díry je nesmírně husté, velmi malé, velmi hmotné a velmi tajemné něco, o němž vůbec nevíme, z čeho je. A ani nemůžeme vědět ze dvou důvodů. Jednak tam z vnějšího vesmíru nevidíme a jednak podle teorie by jeho hmotnost měla mít nulový rozměr, tedy nekonečně velkou hustotu; a na Zemi nic takového neznáme.“ Věda pro toto místo v centru černé díry používá výraz singularita – je to totiž místo, kde některé fyzikální veličiny nabývají nekonečných hodnot.

Současná fyzika si se singularitami (další je Velký třesk nebo jeho protiklad Velký krach) neví úplně rady. Fyzici proto pracují s principem „kosmické cenzury“, který říká, že každá singularita je chráněná před vnějším světem horizontem událostí, jenž brání, aby se informace o vlastnostech singularity dostala ven.

Dějiny černé díry

O tělesu, z něho nedokáže uniknout dokonce ani světlo, poprvé psal v roce 1783 anglický geolog John Michell: „Kdyby koule stejné hustoty, jako má Slunce, převýšila jeho poloměr pět set ku jedné, potom by těleso padající ke sféře z nekonečné výšky získalo na jeho povrchu rychlost větší, než je rychlost světla, a když následně předpokládáme, že světlo je přitahované k jeho povrchu silou v poměru ke své vis inertiae (setrvačné hmotnosti), způsobilo by to, že by se, spolu s ostatními tělesy, světlo vyzařované z takového tělesa k němu vrátilo díky jeho přitažlivosti.“

V roce 1796 podpořil stejnou myšlenku francouzský matematik Pierre Simon de Laplace. Pojem černá díra ale poprvé použil až v roce 1967 americký fyzik John Archibald Wheeler. Do té doby se používaly například výrazy jako kolabující hvězda či zamrzlá hvězda.

Rozmístění osmi teleskopů, které společně vyfotily černou díru
Zdroj: EHT

V roce 1915 vypracoval Albert Einstein teorii gravitace nazvanou obecná teorie relativity. Gravitace podle ní nepůsobí jako síla, ale jako důsledek zakřivení časoprostoru. Pro mnohé nepochopitelnou teorii se pokusil Einstein vysvětlit: „Dříve si lidé mysleli, že když ze světa zmizí všechny věci, zůstane ještě prostor a čas. Podle teorie relativity však s těmito věcmi zmizí prostor i čas.“ Tato teorie zakřivení časoprostoru se často ilustruje házením melounů do natažených prostěradel nebo se přirovnává k pružnému gumovému povrchu, na němž jsou koule různé hmotnosti. Pod každou z nich se povrch prohne – čím je těžší, tím víc. A tak se malá koule skutálí k velké, nebo kolem ní může nějaký čas kroužit, pokud nabere správný směr a rychlost.

Jeho práce zbořila tehdejší představy o prostoru i čase, ale přestože se z jeho práce při chápání černých děr dodnes vychází, on sám byl velkým odpůrcem toho, že by taková tělesa mohla existovat.

Ale jeho práce oslovila jiné: v zákopech ruské fronty I. světové války si Einsteinův článek o obecné teorii gravitace přečetl německý astrofyzik Karl Schwarzschild. Právě on poprvé černou díru „vypočítal“.

V roce 2004 známý britský astrofyzik Stephen Hawking popřel vlastní teorii z roku 1975, že černé díry ve vesmíru navždy pohltí vše, co jim přijde do cesty. Hawking uznal, že americký fyzik John Preskill, se kterým se vsadil o encyklopedii, měl pravdu, když jeho teorii zpochybnil. Hawking na vědecké konferenci v irském Dublinu přiznal, že část látky se ze sevření černých děr po miliardách let nakonec dokáže vyvléci díky drobným nepravidelnostem na jejich povrchu.