Vědci přišli s novým měřením, jehož výsledky mohou změnit celou řadu předpokladů, které má moderní věda o vesmíru. Pokud se výsledky potvrdí, mohly by například vyvrátit představu o tom, že v srdci černé díry je singularita, tedy jev nevysvětlitelný fyzikálními zákony.
Černé díry rodí do našeho vesmíru temnou energii. Nová studie popírá, že jde o singularity
Moderní fyzika přiznává, že o drtivé většině vesmíru neví vůbec nic. Asi sedmdesát procent kosmu totiž tvoří podivná a záhadná temná energie. Neví se, kde se bere, neznáme její vlastnosti ani „složení“ – jen bez její existence nedávají smysl základní rovnice, které jinak dokonale fungují.
Nový výzkum teď ukázal, odkud může tato záhadná forma energie pocházet. Pozorování supermasivních černých děr v centrech galaxií totiž ukazují, že právě ony by mohly být zdrojem této chybějící, a přitom klíčové části vesmíru.
Měření starých galaxií prozradilo, že černé díry rostou víc, než se očekávalo. Tyto naměřené výsledky mohou podle autorů nové práce znamenat, že k vysvětlení temné energie není třeba do našeho modelu vesmíru přidávat nic nového. Zdrojem temné energie jsou černé díry v kombinaci s takzvanou Einsteinovou gravitací.
Vědci k tomu nedospěli nějakou teoretickou úvahou, ale detailní analýzou dat. Na výzkumu se podílelo 17 expertů z devíti zemí; vedla ho Havajská univerzita. Výsledky vyšly ve dvou článcích v časopisech The Astrophysical Journal a The Astrophysical Journal Letters.
Spoluautor studie Dave Clements je z výsledků nadšený: „Je to opravdu překvapivý výsledek. Začali jsme jenom zkoumat, jak černé díry rostou, ale možná jsme našli odpověď na jeden z největších problémů současné kosmologie.“
Ještě dál jde další spoluautor výzkumu Chris Pearson, podle něhož jsou závěry možná dokonce převratné: „Pokud tato teorie obstojí, pak to způsobí revoluci v celé kosmologii, protože konečně máme řešení původu temné energie, která mátla kosmology a teoretické fyziky více než dvacet let.“
Gravitace versus temná energie
Až do konce dvacátého století to vypadalo, že vesmír dává smysl. Ale v devadesátých letech se ukázalo, že rozpínání vesmíru se zrychluje. To velmi zjednodušeně znamená, že všechno v kosmu se vzdaluje od všeho dalšího, a to stále rychleji. Celé to ale odporuje tomu, co se o vesmíru vědělo dřív – gravitační přitažlivost mezi všemi objekty ve vesmíru by totiž měla rozpínání naopak zpomalovat. Jak je to tedy možné?
Nevíme. Teorií vzniklo mnoho, ale žádná není obecně přijímaná ani dokonalá. Nejčastějším vysvětlením se tedy stala „temná energie“ – temná v tomto případě znamená stejně tak „našimi přístroji neviditelná“ jako prostě „záhadná“. Ta by měla být zodpovědná za to, že tlačí věci od sebe silněji než gravitace.
Podobný koncept navrhl už Albert Einstein; ten se snažil zase zavést takzvanou „kosmologickou konstantu“, která by měla působit proti gravitaci a bránit tak vesmíru v kolapsu. Samotný Einstein sice později tuto myšlenku opustil, podle fyzika George Gamowa ji dokonce označil za svůj největší omyl, ale stejně se do moderní fyziky – vyhozená dveřmi – vrátila oknem.
Koncept se oživil díky objevu zrychlujícího se rozpínání vesmíru, jehož hlavní složkou je druh energie obsažené v samotném časoprostoru, nazývaný energie vakua. Tato energie posouvá vesmír dále od sebe, čímž urychluje rozpínání. Ale vyskytl se další neřešitelný problém – černé díry. Jejich extrémně silné gravitaci je těžké vzdorovat, zejména v jejich středech, kde se všechno, co do nich padá, rozpadá v jevu zvaném „singularita“, jenž se nedá fyzikálně vysvětlit, podobně jako okamžik Velkého třesku – prostě proto, že v nich neplatí fyzikální zákony, které známe.
Nový výsledek výše popsaného výzkumu ukazuje, že černé díry získávají hmotnost způsobem, který je plně v souladu s tím, že obsahují energii vakua. To současně poskytuje zdroj temné energie a odstraňuje potřebu vzniku singularit v jejich středu.
Devět miliard let zkušeností
Černé díry vznikají, když masivní hvězdy dospějí ke konci svého života a zhroutí se samy do sebe. Pokud se nacházejí v centrech galaxií, říká se jim supermasivní černé díry. Jejich název dobře shrnuje jejich základní vlastnosti: přes své relativně malé rozměry mají hmotnost miliard našich Sluncí. A díky tomu vytvářejí extrémně silnou gravitaci.
Černé díry se mohou zvětšovat dvěma způsoby: buď takzvanou akrecí hmoty, tedy pohlcováním hmoty (například hvězd), která se dostane příliš blízko, anebo splynutím s jinými černými dírami. Astrofyzici museli nejprve zjistit, jestli právě tyto dva jevy nestačí k vysvětlení toho, proč supermasivní černé díry rostou.
Prozkoumali proto data za období devíti miliard let. Konkrétně se věnovali zvláštnímu typu galaxií, obřím eliptickým galaxiím. Ty vznikly velmi brzy po vzniku vesmíru, ale pak se staly neaktivními, tedy neuvolňují velké množství energie ve formě elektromagnetického záření ani kinetické energie hmoty. Už se v nich netvoří hvězdy, takže u jejich středu zůstalo příliš málo materiálu, jímž by se mohla sytit hladová černá díra.
A přesto, jak analýza dat ukázala, se tyto černé díry chovaly jako Otesánek – jejich růst byl za devět miliard let mnohem větší, než odpovídá akreci nebo splynutí s jinými dírami.
Energie vakua není sci-fi
Další měření ukazují, že existuje shoda mezi velikostí vesmíru a hmotností černých děr. Podle studie lze naměřené množství temné energie ve vesmíru vysvětlit vakuovou energií černých děr. Ta se objevuje v řadě sci-fi jako nevyčerpatelný zdroj energie, ale ve skutečnosti jde o teoretický koncept, který je podložený Heisenbergovým principem neurčitosti.
Jedná se o první důkaz získaný pozorováním, že černé díry opravdu obsahují energii vakua, a že jsou tedy přímo spojené s rozpínáním vesmíru, přičemž jejich hmotnost s rozpínáním vesmíru roste. Tento jev se nazývá kosmologická vazba.
„Pokud to potvrdí další pozorování, kosmologická vazba nově definuje naše chápání toho, co je černá díra,“ uvádějí autoři. Energie vakua je přitom sám o sobě pozoruhodný jev – tato teorie říká, že prázdnota (vakuum) má energii a že v ní může vzniknout částice a její antičástice, které ale okamžitě zase zaniknou bez produkce energie.
Výsledky studie shrnuje první autor studie Duncan Farrah z Havajské univerzity: „Ve skutečnosti říkáme dvě věci najednou. Máme důkaz, že typická vysvětlení černých děr pro vás nefungují ve velmi dlouhém pohledu do vzdálené minulosti. A současně máme první navržené astrofyzikální vysvětlení zdroje temné energie.“
Zásadní přitom podle něj je, že je celé toto vysvětlení velmi elegantní. Jednak vychází z přímého pozorování, ale hlavně do existujícího modelu nepřidává nic nového – záhadnou temnou energií jsou černé díry v Einsteinově teorii gravitace.
