Vědci z mezinárodního projektu Event Horizon Telescope (EHT) představili první fotografii černé díry, která leží v jádru Mléčné dráhy. Navázali v tom na starší výzkum, v němž dokázali vůbec poprvé pořídit snímek černé díry.
Vědci ukázali první snímek supermasivní černé díry v srdci Mléčné dráhy
Na fotografii není vidět přímo černá díra, ale plyn okolo horizontu událostí, který míří pod horizont, kde navždy zmizí. „Ačkoli samotný horizont událostí nevidíme, protože nemůže vyzařovat světlo, žhavý plyn obíhající kolem černé díry odhaluje charakteristický znak: tmavou centrální oblast (takzvaný stín) obklopenou jasnou prstencovou strukturou,“ popisují vědci v prohlášení.
Superhmotná černá díra v centru naší galaxie (zdroj: ESO)
Nový pohled zachycuje světlo ohnuté silnou gravitací černé díry, která je čtyřmilionkrát hmotnější než naše Slunce. Snímek černé díry Sagittarius A* je průměrem několika fotografií, které astronomové získali ze svých pozorování v roce 2017.
Na výzkumu pracovaly přibližně tři stovky vědců z celého světa.
Jak najít černou díru
Žádný existující přístroj, který mají vědci k dispozici, není schopný černou díru odhalit. Proto astronomové z projektu EHT přišli už před několika lety s jiným řešením: propojili osm radioteleskopů na několika kontinentech, čímž vznikl jakýsi „virtuální teleskop“ pomocí něhož v dubnu 2017 nasnímali vnější okraj superhmotné černé díry.
Projektový ředitel EHT Sheperd Doeleman tehdy záměr zachytit černou díru přirovnal ke snaze „vyfotografovat ze Země pomeranč, který by astronaut položil na povrch Měsíce“.
Osm teleskopů, které sledovaly černé díry
Roku 2017 tak získali jako první na světě snímek černé díry, která se nachází v centru galaxie Messier 87 v souhvězdí Panny. Má hmotnost několika miliard našich Sluncí a řadí se mezi vůbec nejmasivnější známé černé díry. Odhaduje se, že každý den tento objekt pohltí plyn o hmotnosti asi 90 Zemí. Od Sluneční soustavy je tato černá díra vzdálená 55 milionů světelných let.
Současně badatelé studovali i superhmotnou černou díru v srdci Mléčné dráhy. Konkrétně se astronomové soustředili na komplex Sagittarius A, respektive velice silně zářící rádiový zdroj Sagittarius A*. Právě tam by se podle současného vědeckého poznání měla nacházet obří černá díra. Její velikost Doeleman přirovnal k oběžné dráze Merkuru kolem Slunce. Roku 2017 ještě astronomové nedokázali z tohoto zdroje získat žádné informace, teď se to ale změnilo.
Zejména díky vylepšení technologie a zapojení dalších tří teleskopů – tak se podařilo pořídit i snímky mnohem menší, slabší a méně hmotné černé díry, která je navíc zakrytá prachem.
Vědci jsou nadšeni především z toho, že konečně mají k dispozici snímky dvou černých děr zcela rozdílných hmotností, což přináší příležitost pochopit, v čem jsou srovnatelné a v čem rozdílné. Začali rovněž využívat data k testování teorií a modelů chování plynu kolem superhmotných černých děr. Tyto procesy totiž nejsou zcela pochopeny, i když se předpokládá, že hrají klíčovou roli při vzniku a vývoji galaxií.
Srovnání dvou černých děr (zdroj: ESO)
„Nyní můžeme zkoumat rozdíly mezi těmito dvěma černými dírami a získat nové poznatky o tom, jak tyto důležité procesy probíhají,“ dodává Keiichi Asada, vědecký pracovník EHT.„Máme k dispozici snímky dvou různě velkých superhmotných černých děr vyskytujících se ve vesmíru – jedné velké a druhé, v měřítkách těchto objektů, malé. Můžeme tak výrazně pokročit při testování chování gravitace v extrémních podmínkách.“
Rozmístění osmi teleskopů, které společně vyfotily černou díru
Krůčky k jádru galaxie
Dlouhá historie výzkumu Mléčné dráhy začíná už u Galilea Galilee, který použil roku 1610 dalekohled, pomocí něhož jako první zjistil, že naše galaxie, která na obloze vypadá jako rozptýlený oblačný pruh, se ve skutečnosti skládá z hvězd. Roku 1785 pak britský astronom William Herschel s pomocí již kvalitnějších dalekohledů vytvořil základní mapu Mléčné dráhy.
Roku 1918 určil americký astronom Harlow Shapley střed Mléčné dráhy pomocí nově objeveného nástroje pro měření vzdáleností. Odhadl, že ve středu leží skupina kulových hvězdokup, jež vidíme v souhvězdí Střelce. Tato oblast je ale před očima astronomů zakrytá hustými oblaky plynu a prachu.
O čtrnáct let později Karl Jansky, který pracoval jako inženýr v Bellových telefonních laboratořích, hledal příčinu poruch, jež narušovaly transatlantické telefonní hovory. Přitom zjistil, že za to mohou rádiové vlny přicházející z vesmíru, konkrétně ze souhvězdí Střelce, tedy z centra galaxie. Tato oblast byla později nazvána Sagittarius A.
Britský astronom Donal Lynden-Bell v roce 1969 vyslovil domněnku, že v centrech některých galaxií by se mohly nacházet velmi hmotné objekty. Britský astronom Martin Rees později doplnil, že by to mohly být černé díry.
Bruce Balick a Robert Brown v roce 1974 objevili velmi jasný a kompaktní objekt, jenž pojmenovali Sagittarius A* (vlastně jen přidali hvězdičku ke staršímu názvu). A právě černá
díra se stala hlavním vysvětlením toho, proč tento objekt vydává tak silnou energii.
V roce 1994 infračervené a submilimetrové studie odhadly, že tento záhadný objekt má hmotnost jako tři miliony Sluncí, a teprve před několika lety vědci tento odhad zvýšili na čtyři miliony.
Zásadním důkazem, že tento objekt je právě černá díra, byla studie z roku 2009. Roku 2020 za ni dostali autoři Nobelovu cenu za fyziku.
Černé díry zůstávají záhadou
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 objektu, z nějž není úniku.
Černých děr existuje zřejmě mnoho druhů, základní dělení rozlišuje 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 sto 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 sta tisíc až několika miliard hmotností Slunce a které se nacházejí v centrech většiny galaxií.
Uvažuje se ale také o existenci zcela miniaturních černých děr, které by mohly mít velikost atomu a mohly by existovat ve vesmíru prakticky kdekoliv. Kvůli předpokládaným vlastnostem jsou ale v podstatě nedetekovatelné.
- Hvězdné černé díry: Černé díry vznikající v závěrečných fázích hvězdného vývoje. Jejich hmotnost je několik Sluncí, typickým zástupcem je například první objevená černá díra Cyg X1 v souhvězdí Labutě.
- Černé díry středních hmotností: Vznikají slučováním hvězdných černých děr. První exemplář byl objeven v roce 2015 při první detekci gravitačních vln. Za dva roky detekování gravitačních vln byly objeveny čtyři takové díry, nejhmotnější odpovídá zhruba 60 Sluncím.
- Galaktické černé díry: Sídlí v centrech galaxií, jejich hmotnost je od milionů po miliardy Sluncí. Není jasné, zda se galaxie formovaly kolem těchto obřích černých děr, nebo zda tyto díry vznikaly v galaxiích až později. Jiné názvy: veledíry, obří díry, občas se používá i překlad masivní černé díry.
- Primordiální černé díry: Měly by mít nepatrné rozměry elementárních částic a mohly by vznikat v ranných fázích vývoje vesmíru. Pokud existují, měly by tepelně zářit, což teoreticky popsal Stephen Hawking. Pozorované množství záření ve vesmíru vylučuje více než tři stovky primordiálních děr v krychlovém světelném roku. Nikdo je ale nikdy neviděl.
- Zdroj: aldebaran.cz
Nepochopitelná singularita
Astronomové nemohou černé díry pozorovat přímo, nicméně o jejich existenci mají už dlouho mnoho nepřímých důkazů. Svou obrovskou gravitací totiž intenzivně působí na okolí a vědci kolem nich pozorovali takzvané akreční disky tvořené hmotou, která kolem díry krouží, vysílá 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.
Jak lidstvo hledalo neviditelné
O tělesu, z něhož nedokáže uniknout dokonce ani světlo, poprvé psal v roce 1783 anglický myslitel John Michell: „Kdyby koule stejné hustoty, jako má Slunce, převýšila jeho poloměr 500:1, 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.
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.
Einstein i Hawking
Jeho práce zbořila tehdejší představy o prostoru i čase, ale přestože se z ní při chápání černých děr dodnes vychází, Einstein sám byl velkým odpůrcem toho, že by taková tělesa mohla existovat.
Ale jeho práce oslovila jiné: v zákopech ruské fronty první světové války si Einsteinův článek o obecné teorii relativity 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.