Černé díry

Historie černých děr

Vesmír je obrovské místo, které se, jako lidstvo, snažíme prozkoumat všemi možnými prostředky. Stále ohledně něj máme spoustu nevyřešených otázek a při hledání odpovědí vymýšlíme řadu teorií, jak by to či ono mohlo vlastně fungovat. Některé teorie se naplní, jiné jsou naopak vyvráceny. 

Od myšlenky k objevu

Řada lidí si spojuje objev černých děr hlavně s 20. stoletím v souvislosti s Obecnou teorií relativity Alberta Einsteina a dalšími fyziky, kteří na ní navázali. Myšlenka o černých dírách přišla více než 100 let dříve z hlavy člověka, o kterém se tolik nemluví. A ani tento britský venkovský farář ještě nemluvil o černých dírách.

Tmavé hvězdy

Už na sklonku 18. století byly černé díry v podstatě předpovězeny, ačkoliv v té době nebyla řeč o černých dírách. V roce 1783 přišel britský farář  John Michell s myšlenkou, že by mohly existovat tak obrovské hvězdy, které by svým gravitačním působením nedovolily světlu uniknout z jejich povrchu. Vycházel ze základů, které položil věhlasný fyzik a matematik Isaac Newton v 17. století – Michell se držel myšlenky, že světlo je složeno z malých hmotných částic (korpuskulární teorie světla). Došel tedy k názoru, že hmotné částice světla (v té době zvané korpuskule), které vycházejí z povrchu hvězdy, musí být ovlivněny její gravitační silou.

Portrét krajiny. Zdroj: Pixabay

Michell odvodil, že by mohlo být možné vypočítat hmotnost hvězdy podle toho, jak moc svou gravitační silou „zpomaluje“ světlo. Zároveň si položil otázku, jak velká by hvězda musela být, aby nedovolila světlu uniknout. Přibližná rychlost světla byla již známá, objevili ji v 17. století Ole Roemer a Christiaan Huygens (jejich odhad byl na cca 210 000 km/s, skutečná rychlost světla je přibližně 300 000 km/s). Díky tomu bylo pro Michella relativně jednoduché vypočítat takovou velikost hvězdy, aby její úniková rychlost přesahovala rychlost světla. Došel k závěru, že taková hvězda by musela být 500× větší než Slunce (pokud by měla stejnou hustotu). Podle Michella by z takového objektu nemohlo unikat světlo, a tím pádem by byla zcela neviditelná pro pozorovatele. Navrhl, že jednou z možností, jak takové „nezářivé“ hvězdy objevit, by mohly být jiné hvězdy, které světlo normálně vyzařují a obíhají okolo nich. Na Johna Michella také navázal Pierre-Simon Laplace, který tyto objekty nazval jako „tmavé hvězdy“.

Mléčná dráha. Zdroj: Adobe Stock

Michellovy myšlenky opravdu předběhly svou dobu, a ačkoli v souvislosti s černými dírami není až tak známý, lze jej považovat za „otce myšlenky“ – a to i přesto, že některé z jeho myšlenek byly vyvráceny.

Teorie relativity a černé díry

John Michell měl zajisté pravdu s tím, že existují objekty, které svým gravitačním působením nedovolí ani světlu překonat únikovou rychlost, a tudíž se vymanit z jejich gravitačního pole. Mýlil se ale v tom, že by hvězdy svou gravitací mohly zpomalovat rychlost světla, a tudíž nelze jejich hmotnost vypočítat způsobem, který tento britský farář navrhoval. Podle Speciální teorie relativity publikované v roce 1905 Albertem Einsteinem se totiž světlo pohybuje konstantní rychlostí nezávisle na okolním gravitačním působení.

Znázornění prostoročasu. Zdroj: Wikipedia

Téma „tmavých hvězd“ bylo znovu otevřeno v roce 1916 poté, co Albert Einstein publikoval svou Obecnou teorii relativity. Mimo jiné v ní představil i koncept prostoročasu, který je zakřivován přítomností hmoty – čím hmotnější těleso je, tím více bude prostoročas zakřivený. I přesto, že je Obecná teorie relativity stěžejním dílem pro objev černých děr, samotný Albert Einstein (a další fyzikové jeho doby) existenci černých děr odmítali.
Krátce po publikaci Obecné teorie relativity vyřešil Einsteinovy rovnice gravitačního pole Karl Schwarzschild – díky tzv. Schwarzschildově metrice byl přesně popsán prostoročas tvořený statickým (nerotujícím) kulovým tělesem. Toto řešení lze aplikovat i na hvězdy a planety, ale největší význam získává právě v souvislosti s neutronovými hvězdami a černými dírami – relativně malými objekty, které mají obrovskou hmotnost.
I přesto, že většina těchto tzv. relativistických objektů rotuje velmi rychle, lze použít Schwarzschildovu metriku k co nejjednoduššímu popisu fyzikálních procesů, které se v souvislosti s těmito objekty odehrávají. 
Schwarzschieldova černá díra – tedy černá díra, která neprojevuje žádnou rotaci ani žádný elektrický náboj – se vyznačuje mimo jiné dvěma charakteristickými vlastnostmi: Schwarzschildovou sférou (horizontem událostí) a tzv. fotonovou sférou.
•    Horizont událostí – hranice, ze které nemůže uniknout žádné elektromagnetické záření (včetně viditelného světla).
•    Fotonová sféra – místo poblíž horizontu událostí, kde je gravitace černé díry tak silná, že proud fotonů je nejen ohýbán, ale rovněž se vrátí zpátky do směru, odkud přišel.

Horizont událostí a fotonová sféra. Zdroj: Wikipedia

Kolaps hvězdy a název černé díry

Julius Robert Oppenheimer,  otec atomové bomby a teoretický fyzik se zaměřením na kvantovou fyziku, byl další významnou osobností, která společně s dalšími fyziky přispěla k poznání okolo černých děr. V roce 1939 publikoval práci, ve které navrhl možnost, jak by černé díry mohly vznikat. Oppenheimer navrhoval model, ve kterém je vznik černých děr svázán s poslední fází životního cyklu dostatečně hmotných hvězd. Je to model, který je používán dodnes.

Julius Robert Oppenheimer. Zdroj: Wikipedia

Na začátku 20. století byly černé díry mnohem „žhavějším“ tématem než v dobách Johna Michella. Stále se však nejmenovaly černé díry. Tento název popularizoval až John Archibald Wheeler, americký teoretický fyzik z Princetonské univerzity, v roce 1968.

John Archibald Wheeler. Zdroj: Wikipedia

Johnu Wheelerovi je také přisuzována slavná fráze: „Černé díry nemají vlasy.“ Chtěl tím vyjádřit, že jediné pozorovatelné vlastnosti černých děr jsou hmotnost, náboj a rotace – ať už je tedy příčina vzniku černé díry jakákoli a z jakkoli složité či jednoduché skladby látek, pouze tyto tři parametry si černá díra bude po svém předchůdci „pamatovat“.

Mohou se černé díry vypařovat?

V roce 1973 se poprvé objevuje myšlenka dávající do souvislosti gravitaci a termodynamiku. Přišel s ní izraelský teoretický fyzik Jacob Bekenstein, který představil myšlenkový experiment, jehož výsledkem byl výpočet na určení teploty horizontu událostí černé díry. Tento myšlenkový experiment vyvolal například otázku, zda by černá díra – jako každé těleso – neměla zářit tepelným zářením.

Jacob David Bekenstein. Zdroj: Wikipedia

Dva roky na to přišel s možnou odpovědí věhlasný teoretik Stephen Hawking. Tvrdil, že pokud budou brány v potaz kvantové jevy, mohla by skutečně teplota na horizontu událostí odpovídat výpočtům Jacoba Bekensteina. Podle kvantové mechaniky existují virtuální páry částic (částice a antičástice), které podléhají procesům spontánní tvorby a ničení. Tyto virtuální páry se za určitých podmínek mohou proměnit ve skutečné páry částic – podle Hawkinga se přesně toto může odehrávat v blízkosti horizontu událostí. Jedna z částic tak může být pohlcena černou dírou a druhá z tohoto páru pak může uniknout. Tento proces se nazývá Hawkingovo záření a mohl by vést k „vypařování“ černých děr.

Stephen William Hawking. Zdroj: Wikipedia

Vypařování černých děr ale otevřelo pomyslné dveře k novému paradoxu. Mělo se za to, že všechny informace o černé díře (vyjma hmotnosti, momentu hybnosti a náboji) jsou pro vnější pozorovatele nenávratně „ztraceny“ za horizontem událostí. Mezi fyziky ale panuje přesvědčení, že není možné, aby informace jen tak zmizela. Pokud se černé díry mohou vypařovat pomocí Hawkingova záření, co se s takovou informací stane, když se celá černá díra vypaří? Právě to je informační paradox černých děr, který není dodneška jednoznačně vyřešen, ačkoliv od doby, kdy se objevil, došlo k výraznému pokroku.

Život primordiálních černých děr. Zdroj: Wikipedia

Černé díry možná mají kvantové vlasy, a dokonce nosí i paruky!

Tvrzení, že „černé díry nemají vlasy“ nakonec možná není úplně tak jednoznačné. V roce 2011 kanadský fyzik Stefanos Aretakis ukázal, že černá díra nemusí být definována jen třemi veličinami (momentem hybnosti, hmotností a nábojem). Použil k tomu příklad s extremální černou dírou. 
Černé díry se nemohou otáčet libovolnou rychlostí a stejně tak nemohou mít libovolně velký náboj. Existuje zkrátka hranice, kterou nelze těmito hodnotami překročit. Černé díry, které se ale jedním z oněch parametrů blíží k vymezené hranici (u pozorovaných černých děr je to vždy moment hybnosti, protože u nich nebyl naměřený žádný náboj), se nazývají extremální.
 

Znázornění černé díry. Zdroj: Sci News

Podle Aretakise se můžeme o extremálních černých dírách dozvědět i další informace, pokud je umístíme do skalárního pole – v tomto případě do místa, kde se nachází temná hmota a celá řada dalších hypotetických částic mimo rámec standardního modelu elementárních částic (elementární částice jsou například fermiony (kvarky, leptony a jejich antičástice) nebo bosony (výměnné bosony a Higgsův boson)).

Úlohu skalárního pole by mohly sehrát různé gravitační poruchy na horizontu událostí – to dokázal americký vědecký tým (Lior Burko, Gaurav Khanna a Subir Sabharwal) v roce 2021. Závěrem je, že mohou existovat různé extremální černé díry se stejným nábojem, momentem hybnosti a hmotností, které se ale budou lišit okolnostmi jejich vzniku. V případě těchto odlišností by se dalo říct, že černá díra má kvantové vlasy. Pokud tyto odlišnosti budou pouze dočasné, lze hovořit o „paruce“.

Gravitační vlny a LIGO

Kvantové „vlasy“ a „paruky“ černých děr lze dnes detekovat pomocí gravitačních vln. Ty vznikají, když se například srazí dvě tělesa a v důsledku této srážky rozvlní časoprostor – tyto časoprostorové vlny se šíří rychlostí světla. Nyní si představte srážku tak extrémně hmotných těles, jako jsou černé díry. To je událost, která otřese celým vesmírem – alespoň z hlediska gravitačních vln.

Znázornění gravitačních vln v prostoročasu. Zdroj: Johns Hopkins University

K detekci gravitačních vln nám slouží vědecké zařízení LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) postavené v roce 2002, které se nachází v americkém Washingtonu. Až do roku 2015 nebylo schopno registrovat žádné gravitační vlny. To se ale změnilo po výměně detektorů za jiné, které jsou 3× citlivější. Upravená verze  známá jako Advanced LIGO byla uvedena do provozu v září 2015. Výsledek na sebe nenechal dlouho čekat a v ten samý měsíc (14. 9. 2015) byly detekovány první gravitační vlny. Byly to vlny ze srážky dvou černých děr, jejichž hmotnost se pohybovala okolo 30 a 35 hmotností Slunce.

Severní rameno zařízení LIGO. Zdroj: Wikipedia

První fotografie černé díry

Data získaná z LIGO byla jistě významným milníkem ve výzkumu černých děr. Stále jsme ale ještě nebyli schopni žádnou černou díru vidět. To se změnilo 10. dubna 2019, kdy byl oznámen první fotografií doložený důkaz o existenci černých děr. Vědeckému týmu se pomocí EHT (Event Horizon Telescope) – osmi radioteleskopů rozmístěných po celé Zemi – podařilo zachytit snímek supermasivní černé díry a jejího nejbližšího okolí v srdci galaxie M87.

 Skutečný snímek černé díry v srdci galaxie M87. Zdroj: Event Horizon Telescope

O pár let později se dokonce podařilo zachytit snímek i naší supermasivní černé díry, která dříme v centru Mléčné dráhy – Sagittarius A*.

Skutečný snímek černé díry Sagittarius A* v srdci Mléčné dráhy. Zdroj: Event Horizon Telescope

Tímto prozatím končí cesta, kterou se lidstvo vydalo za hledáním černých děr. Začalo to myšlenkou britského faráře, přes Obecnou teorii relativity Alberta Einsteina, zpopularizovaný název „černé díry“ díky Johnu Wheelerovi, kvantové jevy popisované Hawkingem a dalšími teoretiky, až jsme se konečně dostali k prvním skutečným snímkům černých děr.

Zdroje

1. The Country Parson Who Conceived of Black Holes. Online. 2000. Dostupné z: https://www.amnh.org/learn-teach/curriculum-collections/cosmic-horizons-book/john-michell-black-holes. [cit. 2025-05-13].
2. DOBRIJEVIC, Daisy a TAYLOR TILLMAN, Nola. Black holes: Everything you need to know. Online. Space.com. 15 Februrary 2015, s. 8. Dostupné z: https://www.space.com/15421-black-holes-facts-formation-discovery-sdcmp.html. [cit. 2025-05-13].
3. Schwarzschildova metrika. Online. 2025. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/Schwarzschildova_metrika. [cit. 2025-05-13].
4. Photon sphere. Online. 2025. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Photon_sphere. [cit. 2025-05-13].
5. LEA, Robert. Was Oppenheimer, the father of the atomic bomb, also the father of black holes? Online. In: Space.com. 21 July 2023, s. 3. Dostupné z: https://www.space.com/oppenheimer-atomic-bomb-black-holes. [cit. 2025-05-13].
6. MIHULKA, Stanislav. Úporný informační paradox černých děr možná vyřeší kvantové vlasy. Online. OSEL: Objective Source E-Learning. 2022. Dostupné z: https://www.osel.cz/12234-uporny-informacni-paradox-cernych-der-mozna-vyresi-kvantove-vlasy.html. [cit. 2025-05-14].
7. KULHÁNEK, Petr. Je nutné, aby byla černá díra plešatá? Online. Aldebaran. Červen 2021. Dostupné z: https://www.aldebaran.cz/bulletin/2021_06_vla.php. [cit. 2025-05-14].
8. Hvězdy a mlhoviny | Černé díry. Online. Aldebaran. 2000. Dostupné z: https://www.aldebaran.cz/astrofyzika/hvezdy/black_holes.php. [cit. 2025-05-14].
9. Všechny velké objekty ve vesmíru se nakonec vypaří. Online. Hvězdárna Valašské Meziříčí. 2023. Dostupné z: https://www.astrovm.cz/cz/pro-navstevniky/aktuality-ak/vsechny-velke-objekty-ve-vesmiru-se-nakonec-vypari.html. [cit. 2025-05-16].
10. M87* One Year Later: Catching the Black Hole's Turbulent Accretion Flow. Online. Event Horizon Telescope. 2025. Dostupné z: https://eventhorizontelescope.org/m87-one-year-later-catching-black-holes-turbulent-accretion-flow. [cit. 2025-05-16].
11. LIGO. Online. In: Wikipedia: the free encyclopedia. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-2025. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/LIGO. [cit. 2025-05-16].
12. Gravitační vlny. Online. In: Wikipedia: the free encyclopedia. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-2025. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/Gravita%C4%8Dn%C3%AD_vlny. [cit. 2025-05-16].