Naozaj vedci objavili čierne diery?

PÔSOBÍ to ako science-fiction — hviezdy, ktoré kedysi žiarivo svietili, sa stávajú neviditeľnými, sú stlačené svojou vlastnou gravitačnou silou natoľko, že nič, ani lúč svetla, nemôže uniknúť ich zovretiu. Mnohí astronómovia veria, že takéto čierne diery môžu byť vo vesmíre bežné. Zaujímalo by vás dozvedieť sa o nich viac? Príbeh, ktorý vám rozpovieme, sa začína v nádhernom súhvezdí, ktoré možno pozorovať na severe a ktoré sa volá Cygnus čiže „Labuť“.

Je Cygnus X-1 čiernou dierou?

Od šesťdesiatych rokov nášho storočia sa astronómovia zaujímajú o istú oblasť v súhvezdí Cygnus. Observatóriá obiehajúce nad zemskou atmosférou objavili mocný zdroj röntgenového žiarenia vychádzajúceho z tejto oblasti, ktorú pomenovali Cygnus X-1.

Vedci už dávno vedia, že čím má nejaký objekt vyššiu teplotu, tým viac energie vydáva v podobe energeticky bohatších elektromagnetických vĺn menšej vlnovej dĺžky. Ak dáte kúsok železa do veľmi rozpálenej pece, spočiatku sa rozžeraví do červena, potom postupne do žlta a do biela, úmerne k tomu, nakoľko je železo rozpálené. V tom sú hviezdy podobné takémuto kúsku železa. Relatívne chladné hviezdy, ktorých teplota dosahuje približne 3000 K, sú červenkastej farby, kým žltá hviezda, ako napríklad naše Slnko, má povrchovú teplotu blízku 6000 K.a No ak by ste chceli získať röntgenové žiarenie v sile žiarenia vychádzajúceho z oblasti Cygnus X-1, museli by ste zahriať hviezdne plyny na teplotu miliónov kelvinov. Žiadna hviezda nemá takúto povrchovú teplotu.

V blízkosti oblasti Cygnus X-1 našli astronómovia hviezdu s povrchovou teplotou odhadovanou na 30 000 K — to už je naozaj horúčava, no ešte stále to nie je teplota dostatočne vysoká na to, aby mohla produkovať röntgenové žiarenie. Odhaduje sa, že táto hviezda, katalogizovaná pod označením HDE 226868, je asi 30-krát väčšia ako Slnko a od Zeme je vzdialená 6000 svetelných rokov. Tento superobor má aj „spoločníka“ a obe hviezdy sa otáčajú jedna okolo druhej v rytme orbitálneho valčíka každých 5,6 dňa. Vedci vypočítali, že „spoločník“ hviezdy HDE 226868 je od nej vzdialený iba niekoľko miliónov kilometrov. Podľa niektorých zdrojov spomínaný „spoločník“ má asi desaťkrát väčšiu hmotnosť ako Slnko. Na tomto „spoločníkovi“ je však niečo veľmi zvláštne — je neviditeľný. Žiadna normálna hviezda takej veľkosti a pri takej vzdialenosti od Zeme by nemala byť neviditeľná. Vedci hovoria, že objekt takej hmotnosti, ktorý ako sa zdá, vysiela röntgenové žiarenie, no žiadne viditeľné svetlo, je dobrým kandidátom na čiernu dieru.

Návšteva čiernej diery

Predstavte si, že by ste mohli cestovať na Cygnus X-1. Ak je to naozaj čierna diera, uvideli by ste niečo, čo by pravdepodobne vyzeralo ako ilustrácia na strane 17. Veľká hviezda je HDE 226868. Hoci táto hviezda má priemer milióny kilometrov, čierna diera môže mať priemer približne 60 kilometrov. Tá maličká čierna bodka v strede víru rozžeraveného plynu je horizont udalostí čiže povrch čiernej diery. Nie je to však pevný povrch; skôr je to čosi ako tieň. Je to okraj priestoru, v ktorom je gravitačná sila okolo čiernej diery taká veľká, že odtiaľ nemôže uniknúť ani svetlo. Mnohí vedci si myslia, že vnútri tohto horizontu, v jadre čiernej diery, je bod nulového objemu a nekonečnej hustoty, ktorý sa nazýva singularita a tá pohltila všetku hmotu čiernej diery.

Čierna diera oberá svoju partnerskú hviezdu o plyny z jej vonkajších vrstiev. Keď sa plyny z tejto hviezdy špirálovitým pohybom stále rýchlejšie premiestňujú, trením v okolí čiernej diery sa rozžeravia a vytvoria akýsi žeravý disk. Tento disk mimoriadne rozžeravených plynov vyžaruje röntgenové žiarenie tesne pred okrajom čiernej diery v čase, keď sa pohyb plynov následkom obrovskej gravitačnej sily zrýchľuje na neuveriteľnú rýchlosť. Samozrejme, že len čo sa plyn dostane do čiernej diery, žiadne röntgenové žiarenie — ani čokoľvek iné — už odtiaľ nemôže uniknúť.

Cygnus X-1 vám poskytne veľkolepý pohľad, ale nechoďte k nemu príliš blízko! Totiž smrteľné je nielen jeho röntgenové žiarenie, ale aj jeho gravitačná sila. Keď stojíte na Zemi, gravitačná sila vo výške vašej hlavy sa máličko odlišuje od gravitačnej sily pri vašich nohách. Tento rozdiel je príčinou slabého ťahu, ktorý nemôžete cítiť. No v oblasti Cygnus X-1 je tento malý rozdiel 150-miliárdkrát silnejší, čím vytvára silu, ktorá by natiahla vaše telo, ako keby nejaké neviditeľné ruky ťahali vaše nohy jedným smerom a vašu hlavu opačným smerom!

Je Cygnus A mimoriadne masívnou čiernou dierou?

V súhvezdí Cygnus existuje aj ďalšia tajomná oblasť. Na pohľad táto oblasť obsahuje iba veľmi nezreteľnú škvrnku tvorenú nejakou vzdialenou galaxiou, ale vyžaruje niektoré z najsilnejších rádiových vĺn, aké na oblohe možno objaviť. Nazýva sa Cygnus A a odvtedy, čo bola pred päťdesiatimi rokmi objavená, je pre vedcov stále hádankou.

Je ohromujúce predstaviť si rozsah oblasti Cygnus A. Kým oblasť Cygnus X-1 je súčasťou našej galaxie a je vzdialená niekoľko tisíc svetelných rokov, o oblasti Cygnus A sa predpokladá, že je vzdialená stovky miliónov svetelných rokov. Hoci Cygnus X-1 a jeho viditeľný „spoločník“ sú navzájom vzdialené iba jednu svetelnú minútu, mračná vytvorené dvoma prúdmi rádiových vĺn v oblasti Cygnus A sú od seba vzdialené státisíce svetelných rokov.b Čosi uprostred oblasti Cygnus A zjavne vystreľuje tieto silné prúdy energie opačným smerom už státisíce alebo aj milióny rokov ako nejaká kozmická zbraň vystreľujúca lúče. Z detailných rádiových máp centra oblasti Cygnus A je zjavné, že na to, aké prúdy rádiových vĺn vysiela, je táto „kozmická zbraň“ veľmi malá — meria menej ako svetelný mesiac. Ak by sa bola chvela po celý ten čas, potom by lúče boli zakrivené. No tieto tajomné prúdy sú dokonale rovné, ako keby tá „kozmická zbraň“, ktorá ich vystreľuje, bola stabilizovaná obrovským gyroskopom.

Čo by sa tam mohlo diať? Profesor Kip S. Thorne napísal: „Spomedzi desiatok vysvetlení, ktoré boli predložené do začiatku osemdesiatych rokov na vysvetlenie tohto centrálneho ‚motora‘, iba jedno zahŕňalo myšlienku vynikajúceho gyroskopu s dlhou životnosťou, ktorý je čo do veľkosti menší ako svetelný mesiac a má schopnosť generovať mocné prúdy. Touto jedinečnou myšlienkou bola predstava obrovskej, rotujúcej čiernej diery.“

Ďalší kandidáti na post čiernej diery

V roku 1994 sa vďaka novoopravenému Hubblovmu kozmickému teleskopu podarilo pozrieť zblízka na „neďalekú“ galaxiu M87, ktorá je podľa odhadov od nás vzdialená asi 50 miliónov svetelných rokov. So svojou zlepšenou optikou Hubblov teleskop zaregistroval vír plynov v centre galaxie M87, ktorý rotuje okolo istého objektu úžasnou rýchlosťou 2 milióny kilometrov za hodinu. Čo by dokázalo uviesť plyny do takého rýchleho pohybu? Výpočty ukázali, že objekt vnútri tohto víru musí mať hmotnosť rovnú hmotnosti najmenej dvoch miliárd Sĺnk. Ale tento objekt je stlačený do „drobného“ priestoru veľkosti našej slnečnej sústavy. Jediná vec, ktorá by podľa vedcov zodpovedala tomuto opisu, je mimoriadne masívna čierna diera.

Kandidátov na post čiernej diery teraz našli aj v strede niektorých blízkych galaxií, vrátane našej „susednej“ galaxie Andromédy, vzdialených iba asi dva milióny svetelných rokov. No nejaká obria čierna diera môže byť aj oveľa bližšie k nám ako Androméda! Výsledky nedávnych pozorovaní naznačujú možnosť, že nejaká obrovská čierna diera sa nachádza v centre našej galaxie, Mliečnej cesty. Čosi, čo sa nachádza v malom priestore a čoho hmotnosť je podľa odhadov ekvivalentná hmotnosti 2,4 milióna Sĺnk, spôsobuje, že hviezdy nachádzajúce sa v blízkosti centra našej galaxie okolo toho obiehajú obrovskou rýchlosťou. Fyzik Thorne poznamenal: „Doklady, postupne nahromadené počas osemdesiatych rokov, naznačujú, že takéto diery sa nachádzajú nielen v jadre väčšiny kvazarov a rádiových galaxií, ale aj v jadre väčšiny veľkých, bežných (nerádiových) galaxií, ako je napríklad Mliečna cesta a Androméda.“

Naozaj vedci objavili čierne diery? Možno. Určite však objavili niekoľko veľmi neobvyklých objektov v súhvezdí Cygnus i na iných miestach, ktoré možno v súčasnosti najľahšie vysvetliť ako čierne diery. Nové poznatky však môžu všeobecne prijímané teórie spochybniť.

Pred vyše 3500 rokmi sa Boh opýtal Jóba: „Spoznal si ustanovenia nebies?“ (Jób 38:33) Napriek pôsobivému vedeckému pokroku je táto otázka stále aktuálna. Koniec koncov, práve vtedy, keď si človek začína myslieť, že rozumie vesmíru, sa na scéne objaví nejaké nové, neočakávané pozorovanie, ktoré rozvráti jeho starostlivo vykonštruované teórie. Medzitým však môžeme s údivom uprene hľadieť na súhvezdia a nachádzať potešenie v ich kráse!

[Poznámky pod čiarou]

[Rámček na stranách 16, 17]

Čo robí čiernu dieru čiernou dierou?

PODĽA súčasného vedeckého poznania hviezdy svietia vďaka neprestajnému boju medzi gravitáciou a jadrovými silami. Bez gravitácie, ktorá tlačí plyn hlboko dovnútra hviezdy, by nemohlo dôjsť k termonukleárnej reakcii. Na druhej strane bez termonukleárnej reakcie, ktorá pôsobí proti účinkom gravitácie, by sa s hviezdami mohli stať isté veľmi zvláštne veci.

Vedci sa domnievajú, že keď hviezdy veľkosti približne nášho Slnka vyčerpajú svoje nukleárne palivo vo forme vodíka a hélia, gravitačná sila ich stláča do horúcich zhorenísk, ktoré sú približne také veľké ako naša Zem a nazývajú sa bieli trpaslíci. Biely trpaslík môže obsahovať toľko hmoty ako Slnko, ale táto hmota je natlačená v priestore, ktorý je miliónkrát menší.

Bežnú hmotu možno považovať za prevažne prázdny priestor, keďže takmer všetka hmota jednotlivých atómov sa nachádza v drobnom jadre, ktoré je obklopené oveľa väčším „oblakom“ elektrónov. No vnútri bieleho trpaslíka gravitačná sila stlačí elektrónový „oblak“ na nepatrný zlomok jeho pôvodnej veľkosti, následkom čoho sa hviezda zmrští iba na veľkosť planéty. Pri hviezdach veľkosti nášho Slnka dochádza v tomto bode k rovnováhe medzi gravitáciou a elektrónovými silami, čím sa zastaví ďalšie zhusťovanie.

Ale ako je to s hviezdami, ktoré majú väčšiu hmotnosť ako Slnko a v ktorých pôsobí väčšia gravitačná sila? Gravitačná sila hviezd, ktorých hmotnosť je viac ako 1,4-násobok hmotnosti Slnka, je taká veľká, že elektrónový „oblak“ je stlačený natoľko, že prestane existovať. Protóny a elektróny sa vtedy spájajú a vytvárajú neutróny. Neutróny ďalšiemu stláčaniu odolávajú, samozrejme za predpokladu, že gravitácia nie je príliš silná. Z pôvodnej hviezdy nie je biely trpaslík veľkosti planéty, ale neutrónová hviezda veľkosti malého asteroidu. Neutrónové hviezdy obsahujú najhustejšiu známu hmotu vo vesmíre.

Čo sa však stane, keď je gravitačná sila ešte väčšia? Vedci predpokladajú, že v prípade hviezd, ktoré majú trikrát väčšiu hmotnosť ako Slnko, je gravitácia pre neutróny príliš silná na to, aby jej mohli odolať. Žiadna forma hmoty, ktorú fyzici poznajú, nemôže odolať takejto kumulovanej sile gravitácie. Zdá sa, že táto neutrónová guľa veľkosti asteroidu by potom bola stlačená nielen do ešte menšej gule, ale až do stavu nulového objemu čiže do bodu nazývaného singularita alebo do nejakej inej, doteraz neopísanej teoretickej entity. Takáto hviezda by zjavne zmizla a nechala by po sebe iba svoju gravitačnú silu a na mieste, kde bola predtým, by zostala čierna diera. Táto čierna diera by na mieste bývalej hviezdy vytvorila gravitačný tieň. Bola by to oblasť, v ktorej by gravitačná sila bola taká silná, že by z nej nemohlo uniknúť nič, ani svetlo.

[Obrázky na strane 16]

Súhvezdie Cygnus tvorí okrem iného hmlovina Severná Amerika (1) a hmlovina Riasy (2). Cygnus X-1 (3) sa nachádza v oblasti „Labutieho krku“

Cygnus (Labuť)

[Prameň ilustrácií]

Tony and Daphne Hallas/​Astro Photo

Tony and Daphne Hallas/​Astro Photo

[Obrázky na strane 17]

Cygnus X-1 v teórii

Čierne diery sú detegované podľa ich vplyvu na iné telesá. Táto ilustrácia ukazuje, ako sú plyny z hviezdy vťahované do čiernej diery

Umelcova predstava čiernej diery (v červenom obdĺžniku) a zväčšenie (dolu)

[Prameň ilustrácie na strane 14]

Einstein: U.S. National Archives photo