Záhady čiernych dier
Pád ohnivej steny?
Predstavte si nešťastného astronauta, ktorého zachytila gravitácia čiernej diery. Ako by pokračoval jeho osud? Skončil by roztrhaný v centre nekonečnej hustoty, singularite? Alebo by ho spálila ohnivá stena?
Definitívnu odpoveď na takúto otázku dostaneme, až keď sa nám podarí rozlúsknuť jednu z najväčších záhad súčasnej vedy – problém, kvôli ktorému sa trasú samotné základy modernej fyziky: Aká je skutočná povaha čiernych dier?
Smrť hviezd
Hviezdy končia svoju existenciu niekoľkými spôsobmi. Tie menšie v akejsi kozmickej smrteľnej agónii odhodia vonkajšie obaly a premenia sa na extrémne hustých bielych trpaslíkov – objekty s hmotnosťou Slnka, ale veľkosťou Zeme. Veľké hviezdy explodujú a ukončia svoju životnú púť ako supernovy. Vďaka ich zániku sa niekedy zrodí neutrónová hviezda, teleso ešte viac husté ako biely trpaslík. Hmota dvoch Sĺnk sa v nich stlačí do veľkosti cca len desať kilometrov! Takéto neuveriteľné stlačenie je možné len vďaka rozpadu atómov, z ktorých neutrónová hviezda pozostáva. Nielenže sa atómy týchto objektov rozpadnú, dokonca dôjde k natlačeniu ich častíc, záporne nabitých elektrónov na kladne nabité protóny za vzniku častíc s neutrálnym nábojom, neutrónov.
Ak supernova ukončí život hviezdy, po ktorej zostane jadro trikrát hmotnejšie ako Slnko, nedôjde iba k rozpadu atómov. Gravitačná sila telesa bude taká silná, že mŕtva hviezda sa prepadne sama do seba. Zrodí sa pažravá kozmická príšera, čierna diera. Keď astrofyzici objavili metódu odhaľovania čiernych dier, zažili šok. Zistili, že napriek svojej deštruktívnej povahe sú tieto objekty jedným zo základných stavebných kameňov vesmíru. Narazili totiž na čierne diery v jadre prakticky každej galaxie, ktorú skúmali. A nešlo o bežné, ale o supermasívne čierne diery. Hmotnosť takýchto pažravých monštier sa môže rovnať miliónom až miliardám Sĺnk. Mimo jadier galaxií narazili na ďalšie, ale menšie čierne diery, obvykle s hmotnosťou troch až desiatich Sĺnk. Napriek obrovskému množstvu čiernych dier, ktoré sa podarilo objaviť, a napriek ich významu pri tvorbe galaxií, im stále úplne nerozumieme.
Odparenie
Britský teoretický fyzik Stephen Hawking v polovici 70. rokov minulého storočia aplikoval na čierne diery zákonitosti kvantovej mechaniky, bizarnej, vlastne absurdnej teórie popisujúcej javy, ktoré sa odohrávajú na menšej veľkostnej škále ako je atóm. Kvantová mechanika má dva obrovské problémy: 1) bola testovaná dôkladnejšie a neúnavnejšie ako ktorákoľvek iná vedecká teória, no napriek tomu všetkými testami prešla; 2) nevieme ju spojiť s inou fundamentálnou a experimentálne potvrdenou fyzikálnou teóriou, špeciálnou relativitou.
Aplikovaním zákonitostí kvantových javov na čierne diery Hawking zistil, že tieto objekty nie sú celkom čierne. Z dôvodov, ktoré bližšie popisujeme v rámčeku, jemne žiaria, dokonca sa skôr či neskôr úplne „vyparia“. Túto hypotézu neskôr akceptovalo a rozšírilo množstvo ďalších výskumníkov a stala sa univerzálne uznávaná. Ukázalo sa však, že so sebou nesie závažný problém. Vďaka tomuto Hawkingovmu žiareniu by sa v konečnom dôsledku vyparilo všetko, čo čierna diera kedy zožrala. Ibaže kvantová mechanika káže, že informácia o hmote nemôže byť nikdy zničená a je jedno, či sa táto hmota nachádza vo vašom vrecku, vo vašej chladničke alebo v čiernej diere. Mohla by túto informáciu prepašovať von Hawkingova radiácia? Podľa jej objaviteľa nie. Táto radiácia je náhodná, zdôraznil a dlhé roky prezentoval presvedčenie, že informácia v čiernych dierach zrejme skutočne zaniká.
Ohnivá stena
Leonard Susskind zo Standfordskej univerzity a ďalší fyzici však navrhli, že informácia by mohla byť zakódovaná v kvantovom stave radiácie, pokiaľ by jej častice boli prepojené (takže by merania jednej častice okamžite ovplyvnili inú, s ktorou je prepojená, a to nezávisle na vzdialenosti). Takéto vzájomné prepojenie častíc nie je iba hypotézou. V roku 1997 tento jav demonštrovali na fotónoch ženevskí fyzici. Háčikom vzájomného prepojenia častíc Hawkingovej radiácie je však skutočnosť, že na to, aby bola nejaká častica vôbec vyžiarená, musela by byť takýmto spôsobom najprv prepojená so svojou dvojičkou, ktorú pohltila čierna diera (viac v rámčeku). Kvantová mechanika však zakazuje prepojenie medzi viac ako dvomi časticami. Ak by sa ale puto medzi pohltenou časticou a jej vyžiarenou dvojičkou prerušilo, uvoľnilo by sa obrovské množstvo energie – na horizonte udalostí (oblasť, za hranicou ktorej čiernej diere neunikne ani svetlo) čiernych dier by došlo ku vzniku akejsi ohnivej steny.
Podľa tohto modelu, ktorý pred dvoma rokmi navrhol výskumný tím vedený Josephom Polchinským na Kalifornskej univerzite v Santa Barbare, „ohnivá stena“ všetko, čo smeruje do útrob čiernej diery, pri dotyku spáli. Žiaľ, s týmto vskutku fascinujúcim riešením má vážny problém všeobecná teória relativity, podľa ktorej vyzerá pád do horizontu udalostí celkom nudne. Podľa Einsteinovej teórie by si pozorovateľ padajúci do čiernej diery pripadal, akoby poletoval voľne vo vesmíre. Voľný pád by nevnímal a vstup za hranice horizontu udalostí by si zrejme vôbec nevšimol. Pri prechode cezeň by si nevšimol ani žiaden zvláštny gravitačný vplyv, a to až do momentu, kedy by narazil na singularitu vnútra čiernej diery. Tam alebo v blízkosti by ho čakalo roztrhanie „zošpagetením“. Ak by padal nohami napred, silnejší vplyv gravitácie pôsobiaci na nohy by spôsobil ich väčšie zrýchlenie oproti hlave, čo by malo za následok natiahnutie a postupné roztrhanie jeho tela.
Inými slovami, pravdivosť konceptu ohnivej steny by znamenala, že existuje závažná komplikácia buď v kvantovej mechanike, alebo vo všeobecnej relativite. To isté ale znamená aj alternatíva – zánik informácie vo vnútri čiernej diery. S ohľadom na skutočnosť, aké množstvo dát obe veľké teórie potvrdzujú, a skutočnosť, že ide o naše najzákladnejšie nástroje chápania reality, by bol pád jednej z nich katastrofou. Konflikt medzi kvantovým a relativistickým poňatím čiernych dier totiž siaha až ku samým základom súčasnej fyziky. Podľa mnohých vedcov ho možno vyriešiť jedine revolúciou vo fyzike. Hawking medzi nich nepatrí. Uprednostňuje revolúciu v chápaní čiernych dier.
Kontroverzná dvojstránka
Stephen Hawking predstavuje vzácny príklad človeka, ktorý aj na staré kolená je po nadobudnutí nových poznatkov schopný zmeniť názor. Nedávno tak spravil práve ohľadom čiernych dier. V odbornom periodiku New Scientist uverejnil kontroverzný dvojstranový článok, či skôr vedeckú esej (práca neobsahuje žiadne výpočty), ktorá zavrhla jednu z najfundamentálnejších vlastností čiernych dier. Podľa tradičnej predstavy je čierna diera takým nahusteným časopriestorom, že výsledná extrémna gravitácia vytvára okolo nej oblasť, z ktorej niet návratu, zmienený horizont udalostí. Podľa Hawkingovej kontroverznej práce však horizont udalostí v skutočnosti neexistuje. To je veľmi zásadný krok, vlastne skok. Znamená pád tradičného konceptu čiernych dier, ktorý stál na predstave objektu, ktorý sa stáva večným väzením aj pre svetelné lúče.
Dobre teda. Preč s horizontom udalostí. Čo nám zostane? Podľa Hawkinga akýsi zdanlivý horizont. Podľa štandardnej definície ide o hranicu medzi priestorom, kde svetelné lúče smerujú preč od čiernej diery (aj sa od nej vzďaľujú) a priestorom, kde taktiež smerujú smerom preč od čiernej diery, ale pohybujú sa smerom k nej. Čím sa zdanlivý horizont líši od štandardného horizontu udalostí? Predstavuje síce taktiež oblasť časopriestoru, ktorá zachytí svetlo, ktoré sa priblížilo k čiernej diere, ale v dôsledku kvantových fluktuácií sa dokáže meniť. A to by malo svetlu za istých okolností umožniť z čiernej diery uniknúť. Treba zdôrazniť, že samotný zdanlivý horizont nie je celkom novou myšlienkou. Nové je tvrdenie, podľa ktorého štandardný a zdanlivý horizont nie sú identické.
Na prahu novej fyziky
Geniálny vedec na jednej strane pripúšťa, že informácia pohltenej hmoty by vďaka zdanlivému horizontu nebola stratená, na druhej strane ale navrhuje, že štruktúra čiernej diery je pod zdanlivým horizontom taká chaotická, že by bolo prakticky nemožné kvantovú informáciu pohltenej hmoty interpretovať. Zdanlivý horizont umožňujúci únik informácie zároveň znamená rozsudok smrti pre hypotézu ohnivej steny, ktorá by viac nebola potrebná.
Reakcie na Hawkingov provokatívny článok sú zmiešané. Viacerí kolegovia s ním otvorene nesúhlasia, ako napríklad Joseph Polchinski alebo Samuel Baunstein z Univerzity v New Yorku. Podľa nich nie je jasné, čo by podľa Hawkingovej interpretácie uvidel pozorovateľ padajúci do čiernej diery. Myslia si, že ich kolega dosiahol len to, že nahradil ohnivú stenu stenou chaosu, ibaže tá sa zrejme od tej predošlej v praxi ničím nelíši.
Ďalšie alternatívy
Hawkingov návrh nie je jedinou náhradou ohnivej steny. Už zmienený Leonard Susskind zo Standfordskej univerzity a Juan Maldacena z Princetonu napríklad navrhli, že patovú situáciu súčasnej fyziky by vyriešilo, pokiaľ by sa čierne diery a unikajúce častice premenili na systém vzájomne prepletených červích dier (zatiaľ hypotetických tunelov v časopriestore). To by síce takpovediac uhasilo ohnivú stenu, podľa iných fyzikov by ju však kvôli pôsobeniu kvantových javov nahradila ľadová stena, ktorá by nebola o nič menej problematická.
Maldacena predstavil aj ďalšie riešenie. V čiernej diere by podľa neho mohol čas plynúť opačným smerom. Informácia by sa v tomto scenári dostávala z čiernej diery pozvoľne a bez toho, aby na horizonte udalostí zažala ohnivú stenu. Žiaľ, koncept má háčik. Pozorovateľ padajúci do čiernej diery by prešiel posunom času, a to všeobecná relativita nedovoľuje.
Na pomoc prichádzajú aj vedci, zaoberajúci sa teóriou strún (podľa nej všetka hmota pozostáva na tej najzákladnejšej úrovni z vibrujúcich strún energie). Cez šošovky tohto konceptu prichádzame k inému kvantovému popisu čiernej diery, podľa ktorého v jej vnútri nenájdete singularitu, ale akýsi fuzzball, priezračné klbko strún. Pri pohľade zvonka síce na nerozoznanie pripomína čiernu dieru, ale chýba mu horizont udalostí. Tým pádom neexistujú paradoxy spojené s horizontom udalostí.
Čierne hviezdy
Carlo Rovelli s Univerzity Aix-Marseille a Univerzity v Toulone spolu s Francescou Vidottovou z Radboudovej univerzity v Nijmegenu navrhujú, že ani veľmi masívne umierajúce hviezdy sa nezrútia do singularity. Namiesto toho sa prepadnú do štruktúry s Planckovou hustotou, teda hustotou, ktorá je o vlások vzdialená od singularity – predstavte si 1023 Sĺnk vtlačených do priestoru atómového jadra (mimochodom, atómové jadro je oproti celému atómu asi také veľké ako mucha oproti katedrále). Podľa francúzskych vedcov by kvantovo gravitačné efekty udržali do seba zrútenú hviezdu na drobný okamih mimo singularity. Ibaže kvôli javu zvanému časová dilatácia – spomalenie plynutia času kvôli vplyvu silného gravitačného poľa – by mimo čiernej diery počas tejto „chvíľky“ ubehli miliardy rokov. Čierna diera by tak v skutočnosti predstavovala tzv. Planckovu hviezdu, ktorá by rástla vo vnútri vesmírnej čiernoty. Napokon by sa po vyhasnutí Hawkingovho žiarenia dokonca vynorila. Rovelli s Vidottovou navrhujú, ako by bolo možné Planckove hviezdy objaviť. Ak existujú, mali by vyžarovať žiarenie s charakteristickou vlnovou dĺžkou 10 – 14 cm, ktoré by sme mohli dokázať odhaliť.
Zaujímavosti
* S hypotézou o existencii čiernych dier pôvodne prišiel John Mitchell už v roku 1783, keď uvažoval o gravitačnom poli takom silnom, že by z neho nedokázala uniknúť ani gravitácia.
* V ich vnútri je hmota natlačená tak natesno, že prestávajú platiť fyzikálne zákony, dokonca tu prestáva existovať čas.
* Najbližšia čierne diera sa nachádza vo vzdialenosti 1.600 svetelných rokov od Zeme.
* Už dávnejšie bolo známe, že každá čierna diera sa otáča okolo vlastnej osi. Vedci vedeli, že sa tak deje veľmi rýchlo. Nedávno zistili, že supermasívna čierna diera pri kvazare RX J1131-1231 sa otáča rýchlosťou 150.000 km za sekundu. To je polovičná rýchlosť svetla.
* Čierne diery zabraňujú niekoľkým obrovským eliptickým galaxiám v našom kozmickom susedstve vytvárať hviezdy. Hoci sa v týchto galaxiách nachádza veľa plynu, prúdy žiarenia z čiernych dier ho prehrievajú alebo premiešavajú, čím zrod hviezd sabotujú.
* Vedci už dávnejšie vedeli, že zvláštne žiarenie čiernych dier obsahuje elektróny, ale keďže nemá celkový negatívny náboj, niečo v ňom musí byť pozitívne nabité. Dlho nebolo jasné, čo tento pozitívny náboj spôsobovalo. Uvažovalo sa napríklad o pozitrónoch, kladne nabitých náprotivkoch elektrónov zo sveta antihmoty. Druhou možnosťou boli kladne nabité atómy „normálnej“ hmoty. Nové výskumy potvrdili druhú možnosť. Podarilo sa detekovať známky niklu a železa.
* Čierne diery môžu rásť, a to vďaka požieraniu hmoty a zrážaniu.
* Nedávno sa podarilo objaviť čierne diery, ktoré sú milióny ráz väčšie a hustejšie ako akékoľvek iné dosiaľ objavené. V galaxii NGC 1277 sa napríklad skrýva gigantická čierna príšera 17 miliárd ráz hmotnejšia ako naše Slnko a väčšia než celá naša slnečná sústava.
Prečo sa vyparujú
* Čierne diery v konečnom dôsledku zaniknú. Tento proces trvá to celé veky, dlhšie, než zatiaľ existuje vesmír.
* Za ich postupný zánik môžu komplikované kvantové javy: vo vesmíre z ničoty sústavne vznikajú a zanikajú virtuálne častice. Objavujú sa v pároch častica – antičastica, ktoré sú až na opačný náboj identické. Keď sa zrazia, puf, zmiznú bez stopy.
* Ak takýto pár vznikne v blízkosti čiernej diery, tá môže antičasticu nesúcu negatívnu energiu vtiahnuť, kým jej náprotivok z komplikovaných fyzikálnych príčin odpudí.
* Výsledok vyzerá akoby čierna diera vyžarovala žiarenie, v skutočnosti však len „vrhá do existencie“ nové častice.
* Odpudená častica si so sebou nesie energiu, ktorá spôsobila jej odpudenie. Pokiaľ čierna diera takto stráca viac energie (a teda aj hmoty), ako požiera, časom úplne zanikne.
Dušan Valent
foto NASA, SITA, ESO, archív