Denník N

Čiernej diere na stope

„Prvé pozorovanie čiernej diery v histórii!“ Takto na nás vystrelili titulky novinových článkov, ozývalo sa éterom večerného spravodajstva, dokonca aj veľký Google zmenil pri tejto príležitosti svoje logo, aby upozornil na tento veľký a prevratný vedecký objav. Toľko pozornosti, a treba povedať, že oprávnenej, si vyslúžila prvá snímka čiernej diery. Ale spolu s pozornosťou verejnosti prišli aj dezinformácie, niekedy viac, niekedy menej úmyselné. Nečudo, čierna diera je jeden z najtajomnejších astrofyzikálnych objektov vo vesmíre, opradený nespočetným množstvom klamlivých predstáv. Jav, ktorý fascinuje vedeckú komunitu už viac ako storočie, do istej miery stále uniká nášmu pochopeniu. Na to, aby sme sa zžili s často neintuitívnym správaním čiernych dier, na to, aby sme aspoň trošku nazreli za oponu poznania a pochopili, čo to tá čudná čierna diera vlastne je (Je to diera? A je skutočne čierna?), musíme začať od základov.

Čierna diera v centre galaxie M87 zachytená experimentom EHT (Zdroj foto: www.eventhorizontelescope.org)

Všeobecná teória relativity je spolu s kvantovou mechanikou najúspešnejšou a najdôležitejšou teóriou súčasnej fyziky, teda aspoň v mojich očiach. Priniesla veľkú zmenu v chápaní samotnej gravitácie. Hmota deformuje samotný časopriestor a vo všeobecnej teórii relativity je gravitačné pôsobenie prejavom takto zakriveného časopriestoru. A čím máme objekt hmotnejší/hustejší, tým je aj časopriestor viac a viac zakrivený. Ľudia, Mesiac, Zem, hviezdy, to všetko zakrivuje časopriestor. A práve najhmotnejšie hviezdy vo vesmíre sú pre nás veľmi zaujímavé. Na konci svojho života hviezda spotrebuje všetko svoje palivo, už nemá vo svojom jadre zdroje energie (termonukleárna fúzna reakcia) a vnútorný tlak už nie je schopný odolávať gravitácii. Hviezda sa v dôsledku svojej vlastnej gravitácie zrúti sama do seba. A práve takto vznikajú čierne diery, pozostatky hmotných hviezd, ktoré sa zrútili do nekonečne hustého bodu nazývaného singularita.

No a čo teda čierna diera je?

Centrálnym bodom čiernej diery je singularita v jej úplnom strede, bod s nekonečnou objemovou hustotou hmotnosti. Dôsledkom je enormné zakrivenie časopriestoru v jeho blízkosti. Únikové rýchlosti z takto zdeformovaného časopriestoru sú veľmi veľké, ďaleko presahujúce rýchlosť svetla. Teda žiaden fotón z tejto oblasti uniknúť nemôže. Čo je presne dôvod, prečo je čierna diera čierna. Hranicou čiernej diery sa myslí horizont udalostí, zjednodušene povedané: ide o sféru okolo singularity, v ktorej je úniková rýchlosť väčšia než rýchlosť svetla. Ak sa ľubovoľná častica, fotón alebo iný objekt dostane pod túto hranicu, nikdy z čiernej diery uniknúť nemôže. Už teda vieme, prečo je čierna diera čierna, tiež vieme, že v skutočnosti nejde o dieru, ale o sférický objekt.

Správanie čiernej diery nie je zaujímavé len pod hranicou horizontu udalostí (odkiaľ k nám neprenikne žiadna informácia), ale aj za ňou, v tesnom okolí čiernej diery. Plyn a prach, ktorý sa dostane do blízkosti horizontu udalostí čiernej diery, pociťuje najintenzívnejšie gravitačné pôsobenie. Postupne sa dostáva bližšie a bližšie k čiernej diere a v dôsledku trenia medzi jednotlivými časticami plynu a prachu dochádza k jeho zahrievaniu. Takýto horúci plyn sa stáva zdrojom žiarenia, ktoré sme v princípe schopní pozorovať. A práve žiarenie pochádzajúce zo zohriateho horúceho plynu v blízkosti horizontu udalostí čiernej diery pozoroval experiment Event Horizon Telescope (EHT).

A je to tu

Píše sa rok 2017 a experiment EHT sa započal. Všetky teleskopy zapojené do interferometrickej siete EHT namierili svoje paraboly na svoje ciele, centrum našej Galaxie a na galaxiu M87, ktorá patrí medzi najväčšie galaxie v blízkom vesmíre. Ale ako rozlíšiť detailné štruktúry v takých veľkých vzdialenostiach (centrum našej galaxie je vzdialené približne 27 000 svetelných rokov, galaxia M87 je dokonca 54 miliónov svetelných rokov ďaleko)? Využili princíp interferometrie, pomocou ktorej dokázali spojiť sieť rádioteleskopov roztrúsených po celej Zemi, čím vytvorili jeden gigantický virtuálny ďalekohľad s veľkosťou celej Zeme. Vedecké tímy nasledujúce dva roky spracovávali dáta a v apríli 2019 to prišlo – EHT verejne predstavil prvú fotografiu zachytávajúcu blízke okolie čiernej diery v centre galaxie M87, ktorej hmotnosť je veľmi ťažko predstaviteľná, dosahuje 6,5 miliardy hmotností nášho Slnka. Jej rozmer je ešte ohromujúcejší, je väčšia než celá naša slnečná sústava (približný polomer horizontu udalostí je 100-násobok vzdialenosti Zeme od Slnka). A čo na obrázku môžeme vlastne vidieť? EHT nepozorovalo žiarenie pochádzajúce priamo z čiernej diery, ale žiarenie, ktoré vzniklo pri interakcii okolitej hmoty v akrečnom disku s čiernou dierou. Čo môžeme vidieť na snímke, nie je v skutočnosti samotná čierna diera, ale jej akýsi tieň, respektíve jej silueta na pozadí žiariacej hmoty.

A čo nám to hovorí?

Všeobecnú teóriu relativity využívame dennodenne bez toho, aby sme si to uvedomovali. Napríklad satelity Galileo alebo GPS využívajú pri navigácii výpočty všeobecnej teórie relativity. Ale pozorovania čiernych dier nám umožňujú skúmať teóriu relativity v najextrémnejších podmienkach – teda v podmienkach enormnej gravitácie. A najúžasnejšie na tom všetkom je, že Einsteinova všeobecná teória relativity predpovedala, že pozorovanie blízkeho okolia čiernej diery bude vyzerať presne takto. Predpoveď teórie je v úplnom súlade s pozorovaním čiernej diery, aspoň tak hovoria prvé výpočty. Vedecké tímy sa teraz vrhnú na dáta a budú detailne skúmať zhotovené pozorovania. Čakajú nás teda fascinujúce mesiace nových zistení.

Roman Nagy
Katedra astronómie, fyziky Zeme a meteorológie FMFI UK

Text je súčasťou blogov Denníka N, nie je redakčným obsahom.
Administrátorov blogov môžete kontaktovať na adrese blog@dennikn.sk.

Teraz najčítanejšie

Univerzita Komenského

Univerzita Komenského v Bratislave je moderná európska univerzita. V roku 2019 oslavuje 100. výročie od založenia. Ako jediná slovenská vysoká škola sa pravidelne umiestňuje v celosvetových rebríčkoch najlepších univerzít sveta. Na 13 fakultách poskytuje najširší výber študijných programov (vyše 800) v troch stupňoch, pričom viaceré z nich sú na Slovensku jedinečné. Na výber je zo širokej škály oblastí ľudského poznania – od medicíny cez humanitné a sociálne vedy, prírodné vedy, matematiku až po teológiu. UK je výskumnou inštitúciou, ktorá zastrešuje stovky domácich i zahraničných vedeckovýskumných projektov. Viacerí študenti sú tak už počas štúdia súčasťou významného výskumu a môžu sa aktívne zapojiť do riešenia projektov a grantov či sa zúčastňovať na odborných stážach (aj v zahraničí). UK každoročne vysiela do zahraničia najvyšší počet študentov spomedzi všetkých slovenských vysokých škôl a prijíma aj najviac študentov z celého sveta, napríklad z Nemecka, Nórska, Grécka, Iránu, Rakúska či Islandu.