Je černá díra opravdu černá? Ne tak docela, přiznávají vědci
Foto: Unsplash
více než 5 min
Představa dokonale černého objektu pohlcujícího vše kolem sebe je sice lákavá, ale ne zcela přesná. Fyzici dnes vědí, že černé díry ve skutečnosti vyzařují záření a nejsou tak docela černé, jak jejich název napovídá. Důvod spočívá v kombinaci Einsteinovy teorie relativity a kvantové fyziky, která odhaluje fascinující vlastnosti těchto kosmických objektů.
Reklama
Časoprostor kolem černé díry není statický
Většina z nás se při prvním setkání s teorií relativity cítí dezorientovaná. Objekty se nepohybují pouze prostorem, ale také časem, přičemž oba tyto pohyby jsou neoddělitelně propojeny do struktury časoprostoru. Hmota a energie ovlivňují zakřivení časoprostoru svou přítomností, hustotou a rozložením, zatímco zakřivený časoprostor určuje, jak se skrze něj pohybuje hmota a energie.
Když shromáždíte dostatek hmoty v určitém objemu časoprostoru, vznikne objekt známý jako černá díra. Každou černou díru obklopuje horizont událostí – hranice mezi místem, odkud objekt může uniknout gravitačnímu přitahování černé díry, a místem, odkud vše neodvratně padá směrem k centrální singularitě. Přesto, že z horizontu událostí neunikne žádný objekt, černé díry nejsou ve skutečnosti černé.
Prostor sám se pohybuje rychleji než světlo
Einstein přinesl v roce 1915 revoluci v našem chápání prostoru, času a gravitace. Souřadnice nejsou absolutní, ale relativní – každý pozorovatel má svou vlastní pozici, hybnost a zrychlení. Navíc žádný konkrétní souřadnicový systém nezůstává v čase fixní, protože i pozorovatelé v klidu jsou taženi pohybem samotného prostoru. Nikde není toto patrněji než v okolí černé díry.
Prostor si můžeme představit spíše jako pohyblivý chodník než jako pevnou síť třírozměrných ulic. Hmoty způsobují, že se prostor zrychluje směrem k nim, zatímco rozpínající se vesmír způsobuje, že se nevázané objekty od sebe vzdalují.
Mimo horizont událostí černé díry je hmota přitahována směrem k černé díře, ale srážky a elektromagnetické interakce mohou tento materiál zrychlit různými směry, včetně směru pryč od černé díry samotné. Jakmile však překročíte horizont událostí, už nikdy neuniknete. Prostor pod vašima nohama se zrychluje směrem k singularitě rychleji než světlo.
Co vidíme, když něco spadne do černé díry?
Černé díry rostou v hmotnosti, kdykoli cokoli z vnější strany horizontu událostí překročí horizont událostí a spadne dovnitř. Ale co když zůstanete mimo horizont událostí a budete sledovat, jak do něj někdo jiný spadne?
Pamatujte, že samotný prostor se pohybuje, že prostor a čas jsou propojené a že jevy popsané relativitou jsou skutečné. Na horizontu událostí samotném se prostor pohybuje rychlostí světla. To znamená, že pro někoho nekonečně daleko se zdá, že čas na horizontu událostí již neplyne.
Když pozorujete, jak něco jiného spadne do černé díry, uvidíte, že světlo vyzařované z tohoto objektu bude slabší, červenější a jeho poloha se bude asymptoticky blížit k horizontu událostí. Pokud byste mohli nadále pozorovat slabé fotony, které vyzařuje, zdálo by se, že se protahují v prostoru i v čase. Budou podléhat gravitačnímu rudému posuvu, přičemž světlo z nich vyzařované přejde z viditelného přes infračervené a mikrovlnné až po rádiové frekvence.
A přesto nikdy zcela nezmizí. Vždy, nekonečně daleko do budoucnosti, bude existovat světlo k pozorování z jejich pádu do černé díry. I když jsou fotony kvantované, neexistuje žádný limit, jak nízká může být jejich energie.
Kvantová fyzika odhaluje Hawkingovo záření
Zamyslete se nad kvantovou povahou prostoru mimo horizont událostí. Pokud jste v dokonale prázdném prostoru, kde není žádná hmota, energie nebo záření, mohli byste si myslet, že všichni inerciální pozorovatelé by se shodli na vlastnostech tohoto prostoru. Ale pokud mluvíme o prostoru mimo černou díru, to není možné.
Proč ne? Dva důvody společně zajišťují, že:
- vakuum dokonale prázdného prostoru není zcela prázdné, protože nevyhnutelně obsahuje kvantové fluktuace
- struktura samotného prostoru se zrychluje různou rychlostí v závislosti na vaší vzdálenosti od centrální singularity
Spojte tyto dvě věci dohromady a vznikne nevyhnutelná situace: různí pozorovatelé se nebudou shodovat na tom, jaký je skutečný stav s nejnižší energií kvantového vakua poblíž černé díry.
Pokud jste daleko od černé díry, můžete aproximovat prostor jako nezrychlující se tam, kde jste, a tak se blízcí pozorovatelé budou navzájem shodovat, když odkazují na kvantové vakuum. Ale když uvažujete o kvantovém vakuu poblíž horizontu událostí černé díry – jinými slovy, v oblasti prostoru, kde je zakřivení silně nerovinné – zdá se, že kvantové vakuum je ve vzbuzeném stavu.
Jak funguje Hawkingovo záření v praxi
Toto je to, čím Hawkingovo záření skutečně je: záření, které byste pozorovali, protože vaše vnímání kvantového vakua se liší v plochém prostoru od toho v zakřiveném prostoru. Jedná se o přesnější způsob vizualizace Hawkingova záření než Hawkingovo vlastní vysvětlení párů částic a antičástic vytvořených poblíž černé díry, kde jedna spadne dovnitř a druhá unikne.
Hawkingovo záření je téměř výhradně tvořeno fotony, nikoli částicemi nebo antičásticemi. Nevzniká veškeré z horizontu událostí, ale zhruba do vzdálenosti 10-20 Schwarzschildových poloměrů od horizontu událostí.
Ale jedná se o skutečnou formu záření. Má skutečné energie a vypočitatelné energetické rozložení pro své fotony, přičemž můžete vypočítat tok i teplotu tohoto záření pouze na základě hmotnosti černé díry. Masivnější černé díry mají menší množství záření s nižší teplotou, zatímco černé díry s nižší hmotností se rozpadají rychleji.
Budoucnost pozorování černých děr
Tomu lze porozumět, jakmile si uvědomíte, že Hawkingovo záření je nejsilnější tam, kde je prostor nejvíce zakřivený, a výraznější zakřivení prostoru nastává blíže k singularitě. Černé díry s menší hmotností znamenají menší objemy horizontů událostí, a to znamená více Hawkingova záření, rychlejší rozpad a záření s vyšší energií, které lze hledat.
Se správným teleskopem s velkou aperturou a citlivostí na dlouhé vlnové délky bychom jej možná jednou mohli pozorovat. Pokud máte astrofyzikální objekt, který vyzařuje záření, okamžitě to popírá definici černého objektu – kde něco je dokonalý absorbér a zároveň samo vyzařuje nulové záření.
Nejdokonaleji černý objekt v celém vesmíru tedy není skutečně černý. Místo toho vyzařuje kombinaci veškerého záření ze všech objektů, které do něj kdy spadly (které se asymptoticky přiblíží, ale nikdy nedosáhne nuly), spolu s ultranízkou teplotou, ale vždy přítomným Hawkingovým zářením.
