5 faktů o černých dírách – nejzáhadnějších vesmírných objektech

Černé díry jsou jedním z nejzajímavějších objektů ve vesmíru. Jde o nebeská tělesa extrémně silné gravitace, ze kterých nemůže nic uniknout – ani planeta, ani Měsíc, dokonce ani světlo.

Cokoli, co překročí horizont událostí – hranici, v níž je úniková rychlost černé díry větší než rychlost světla – ostře směřuje k neznámému osudu.

V posledních letech fyzici objevili mnoho neznámých faktů o černých dírách. Některé objevy položily základy budoucnosti, zatímco některé stále ovívají představivost výzkumníků. Zde je 18 nejzajímavějších faktů a teorií o černých dírách, které byste měli znát.

1. Černou díru objevil v roce 1916 Karl Schwarzschild

Přestože se v 18. století uvažovalo o objektech s intenzivními gravitačními poli (ze kterých světlo nemůže uniknout), byl to Karl Schwarzschild, kdo v roce 1916 podal první moderní řešení obecné teorie relativity, charakterizující černou díru.

V roce 1958 publikoval David Finkelstein svou interpretaci jako oblasti prostoru, z níž nic nemůže uniknout. Americký teoretický fyzik John Wheeler pak spojoval termín „černá díra“ s objekty s gravitačním kolapsem předpovězeným na počátku 20. století.

Termín „černá díra“ použil během prezentace, kterou přednesl v Goddardově institutu pro vesmírná studia NASA v roce 1967.

2. Nelze je přímo pozorovat.

První snímek černé díry v jádru eliptické galaxie Messier 87 na světě

Protože světlo nemůže uniknout masivní gravitační síle černé díry, nemůžete ji pozorovat přímo. Můžete však vidět, jak jeho gravitace ovlivňuje blízká nebeská tělesa a plyn.

Astronomové studují hvězdy, aby zjistili, zda obíhají kolem černé díry. Když jsou hvězda a černá díra blízko sebe, vyzařují záření, které obvykle zachytí vesmírné teleskopy a satelity.

V roce 2019 vědci zachytili první snímek černé díry na světě, která se nachází 500 milionů bilionů kilometrů daleko. Byl vyfotografován sítí 8 dalekohledů po celém světě. Tato supermasivní černá díra je 40 miliard kilometrů široká a 6,5 ​​miliardkrát větší než hmotnost Slunce.

3. Typy černých děr

Existují čtyři typy černých děr (tři skutečné a jedna hypotetická) −

Hvězdné černé díry: Jedná se o malé černé díry s hmotností od 5 do několika desítek hmotností Slunce. Vznikají gravitačním kolapsem velké hvězdy.

Supermasivní černé díry: Největší černé díry s hmotností od stovek tisíc až po miliardy slunečních hmotností. Jejich původ zůstává otevřenou oblastí výzkumu.

Střední černé díry jsou výrazně hmotnější než hvězdné černé díry, ale menší než supermasivní černé díry. Nejpřesvědčivější důkazy o takových nebeských tělesech pocházejí z některých aktivních galaktických jader s nízkou svítivostí.

Primordiální černé díry jsou hypotetické černé díry, které mohly vzniknout krátce po velkém třesku. Jejich hmotnosti mohou být mnohem menší než hmotnosti hvězd. Stephen Hawking tyto černé díry podrobně studoval a zjistil, že mohou vážit pouhých 100 mikrogramů.

4. Černá díra má tři vrstvy

Černá díra má tři vrstvy: singularitu, vnější a vnitřní horizont událostí.

Střed černé díry se nazývá singularita. Toto je oblast, kde je veškerá hmota stlačena téměř na nulový objem. Singularita má tedy téměř nekonečnou hustotu a generuje obrovskou gravitační sílu.

Vnější horizont událostí je nejvzdálenější vrstva, ze které mohou materiály stále unikat gravitaci černé díry. Gravitační síla této vrstvy není tak silná jako ve střední nebo střední vrstvě.

Vnitřní horizont událostí je centrální vrstvou. Toto je oblast, ze které hmota nemůže uniknout. Tlačí hmotu směrem ke středu černé díry, kde je gravitační vliv nejsilnější.

5. Černá díra může mít velikost až 0,1 milimetru

Černá díra může mít hmotnost malou jako pozemský měsíc nebo hmotnost desetimiliardkrát větší než hmotnost Slunce.

Jeho hmotnost je úměrná velikosti horizontu událostí, který se měří jako Schwarzschildův poloměr. To je poloměr, na kterém se výstupní rychlost rovná rychlosti světla.

Navíc žádná černá díra není nekonečně malá. Minimální hmotnost je větší nebo rovna Planckově hmotnosti, což je asi 22 mikrogramů.

6. Černé díry rotují na ose

Když hvězda spadne do velmi malého prostoru, stále si zachovává veškerou tuto hmotu. Aby se zachoval moment hybnosti, rychlost rotace černé díry se zvyšuje.

Když se černá díra otáčí, její hmotnost způsobí rotaci blízkého časoprostoru. Tato oblast se nazývá ergosféra. Toto je oblast (mimo horizont událostí), kde dochází k různým zajímavým efektům.

Čím menší je horizont událostí, tím rychleji rotuje. Existuje však omezení rychlosti, kterou se může černá díra otáčet [aniž by odhalila svou singularitu zbytku vesmíru].

Nejtěžší hvězdná černá díra (GRS 1915+105) v Mléčné dráze rotuje 1150krát za sekundu. A v galaxii NGC 1365 je černá díra, která rotuje rychlostí 84 % rychlosti světla. Dosáhlo hranice kosmické rychlosti a nemůže se točit rychleji.

7. Vydávají zvuk

V roce 2003 astronomové využívající rentgenovou observatoř Chandra NASA detekovali zvukové vlny ze supermasivní černé díry umístěné 250 milionů světelných let od Země.

Když černá díra něco nasaje, její horizont událostí nabije částici blízkou rychlosti světla a vytvoří zvuk. Vesmírné teleskopy zachycují zvukové vlny, které již urazily miliony světelných let od svého zdroje (černé díry).

Ale zvuk se nemůže šířit ve vakuu, zatímco jak slyšíme černé díry? Ve skutečnosti vesmír není úplným vakuem. Skládá se z několika atomů vodíku (plus dalších plynů) na metr krychlový, které poskytují médium pro velmi nízkofrekvenční zvukové vlny.

8. Černé díry deformují prostor a čas

Černá díra může díky svému silnému gravitačnímu vlivu deformovat časoprostor ve svém bezprostředním okolí. Podle obecné teorie relativity platí, že čím blíže jste k černé díře, tím pomaleji plyne čas.

Horizont událostí je hranice kolem černé díry, kde veškerá hmota, včetně světla, ztrácí schopnost unikat. Gravitační síla je na horizontu událostí konstantní.

Otáčející se černá díra vytváří zvláštní efekt zvaný tažení rámu. V tomto případě se prostor a čas v blízkosti černé díry skutečně táhne kolem ní. Prostor je natažen tak silně, že není možné se pohybovat opačným směrem. Toto je nekonečná regrese zkreslení, když neexistuje způsob, jak se posunout vpřed.

Obecně platí, že klasické fyzikální zákony, jak je známe, přestávají uvnitř horizontu událostí platit, ve skutečnosti si nelze představit nic s nekonečnou hustotou a nulovým objemem.

9. Černé díry vás mohou zabít hrozným způsobem.

Za předpokladu, že se jedná o malou černou díru, budete zkresleni obrovskou slapovou silou gravitace. Slapová síla je rozdíl mezi gravitační silou na hlavu a nohy. Síla na vaši hlavu (pokud padnete po hlavě) bude mnohem větší než síla na vaše nohy.

Díky tomuto rozdílu budete mít pocit, že vás něco trhá na kusy, protahuje vás od hlavy až k patě. Čím blíže je vaše hlava k černé díře, tím rychleji se pohybuje. Ale spodní polovina vašeho těla je dále, a proto se nepohybuje směrem ke středu tak rychle.

Když přílivová síla překročí molekulární síly, které vážou vaše tělo, vaše tělo bude roztrženo na dvě části a tyto dvě části budou roztrženy na dvě další části, a tak dále. Byli byste protlačeni látkou časoprostoru jako zubní pasta trubicí.

10. Černé díry se nenasávají

Lidé si většinou černou díru představují jako vakuum prostoru, které vysává hmotu ze všeho kolem sebe. To je běžná mylná představa. Černé díry jsou jako každé jiné nebeské těleso, ale mají obrovský gravitační vliv na prostor ve svém okolí. Tato gravitační síla jednoduše způsobuje, že se hmota kolem nich rychle zrychluje.

I kdybyste naše Slunce nahradili černou dírou stejné hmotnosti, Země by nespadla. Černá díra bude mít stejné gravitační pole jako Slunce. Země a další planety budou i nadále obíhat černou díru, jak dnes obíhá kolem Slunce.

A protože Slunce není dost velké, nikdy se nezmění v černou díru.

11. Supermasivní černé díry existují v centrech většiny galaxií

Vědci se domnívají, že většina galaxií, včetně Mléčné dráhy, má ve svém jádru supermasivní černou díru. Tyto velké černé díry ve skutečnosti drží galaxie pohromadě ve vesmíru.

Sagittarius A, černá díra umístěná ve středu Mléčné dráhy, je 4 milionkrát hmotnější než Slunce. Sagittarius A je od Země vzdálený pouhých 26 000 světelných let a je jednou z mála černých děr ve vesmíru, kde mohou astronomové skutečně pozorovat tok hmoty v okolí.

12. Ve vesmíru je nespočet černých děr

Jen naše galaxie se skládá z více než 100 milionů hvězdných černých děr a supermasivního Sagittarius A v jejím jádru. S téměř 100 miliardami galaxií, z nichž každá má supermasivní jádro monstra a 100 milionů černých děr o hvězdné hmotnosti (zatímco jiné typy se stále studují), je to jako snažit se spočítat počet zrnek písku na Zemi.

13. Jakýkoli předmět lze proměnit v černou díru

Hvězdy nejsou jediné věci, které se nakonec stanou černými dírami. Teoreticky byste mohli všechno proměnit v černou díru.

Pokud například zmenšíte velikost Slunce na 6 kilometrů v průměru při zachování veškeré jeho hmoty, stane se z něj černá díra. Jeho hustota dosáhne astronomických úrovní, díky čemuž bude gravitační síla neuvěřitelně silná.

Stejná teorie může být aplikována na Zemi a jakýkoli jiný objekt, jako je mobilní telefon, auto nebo dokonce vaše vlastní tělo. Neznáme však žádnou techniku, která by dokázala zmenšit objem na nekonečně malý bod a přitom zachovat 100 procent hmoty objektu.

14. Časem se vypařují

V roce 1974 Stephen Hawking navrhl, že černé díry emitují malé množství fotonických částic, což způsobí, že postupně ztrácejí hmotu a časem mizí. Tento proces vypařování se nazývá Hawkingovo záření.

Záření černého tělesa vzniká v důsledku kvantových efektů v blízkosti horizontu událostí. Protože je tento proces neuvěřitelně pomalý, jen ty nejmenší černé díry by měly čas se úplně vypařit během 13,8 miliard let (stáří vesmíru).

15. Supermasivní černé díry určují počet hvězd v galaxii

Mezi aktivitou černých děr a počtem hvězd existuje vyvážený vztah. Příliš mnoho hvězd by způsobilo, že by galaxie byla příliš horká na to, aby se mohl vyvinout život, zatímco nedostatek hvězd by mohl zabránit vzniku života.

Nová studie odhaluje, jak supermasivní černé díry regulují tvorbu hvězd v masivních galaxiích. Historie vzniku hvězd blízkých hmotných galaxií závisí na hmotnosti centrální supermasivní černé díry.

16. Jsou obrovským zdrojem energie

Černé díry vytvářejí energii efektivněji než malé hvězdy, jako je Slunce.

Protože gravitační vliv je v blízkosti horizontu událostí velmi silný, hmota nejblíže okraji horizontu událostí se otáčí mnohem rychleji než hmota na vnějším horizontu událostí (vnější vrstva černé díry).

Hmota se pohybuje tak rychle, že se zahřívá až na miliony stupňů Celsia a přeměňuje hmotu na energii ve formě záření (známé jako záření černého tělesa).

Černá díra dokáže přeměnit 10 % své hmoty na energii. Abychom to uvedli do perspektivy, jaderná fúze přeměňuje pouze 0,7 % hmoty na energii.

Vědci dokonce zkoumali, zda je fyzicky možné využít tento druh energie ke stavbě elektráren nebo vesmírných lodí.

17. Černé díry mohou vytvářet nové vesmíry

Může se to zdát zvláštní, ale někteří fyzici věří, že černé díry by mohly otevřít nové světy. Náš vesmír se možná zrodil v černé díře a černé díry v našem vesmíru mohou zrodit nové vlastní vesmíry.

Abyste pochopili, jak to funguje, představte si náš současný vesmír: vše, na co se díváte, bylo umožněno řadou událostí, které se staly v minulosti, a určitými podmínkami, které se spojily a vytvořily život.

Pokud provedete byť jen malou změnu těchto podmínek/událostí, bude vše jinak. Teoreticky by singularita mohla tyto podmínky změnit a vytvořit nový, mírně pozměněný vesmír.

18. Informace mohou uniknout z černé díry

Co se stane s informacemi o částicích procházejících černými dírami? Fyzici se na tuto otázku snaží odpovědět už desítky let.

Zákony kvantové fyziky říkají, že informace nelze zcela zničit. Pokud však informace nemůže uniknout z černé díry, pak byla v podstatě zničena. Zdá se, že to porušuje pravidla kvantové mechaniky.

Podle Stephena Hawkinga informace nikdy nespadají do černé díry.

„Informace nejsou uloženy v nitru černé díry, jak by se dalo očekávat, ale na její hranici, horizontu událostí.“ – Stephen Hawking

Když objekt vstoupí do černé díry, jeho informace jsou zachyceny a uloženy na horizontu událostí. Přestože objekt může být zničen uvnitř černé díry, informace zůstanou na horizontu událostí rozmazané.

Informace mohou unikat pomocí Hawkingova záření, ale v zbytečné a chaotické podobě. Ve skutečnosti by se to mohlo stát v jiném vesmíru. Hawking navrhl, že černé díry nejsou věčnými věznicemi, za které se kdysi myslelo.

Dokument o černých dírách