Čierne diery
Čo je to čierna diera ?
Čierna diera je objekt, ktorý zahŕňa obrovské množstvo masy na malom priestore. Jej gravitačná sila je tak silná, že zabraňuje čomukoľvek, aby z nej uniklo. Existencia čiernych dier bola prvý krát potvrdená v 18. storočí. Samotné pomenovanie "čierna diera" získala však až v roku 1967. Fyzici a matematici zistili, že prietor a čas v blízkosti čiernych dier má nezvyčajné vlastnosti. Práve preto sa čierne diery stali obľúbenou témou science-fiction. Avšak čierne diery nie sú sci-fi. Formujú sa v čase, keď zanikne masívna alebo aj normálna hviezda. Čierne diery samé o sebe nemôžeme vidieť, avšak môžeme vidieť materiál padajúci do čiernej diery. Práve týmto spôsobom astronómovia objavili a zmerali veľkosť mnohých čiernych dier vo vesmíre. Vieme, že vo vesmíre sa nachádzajú miliardy čiernych dier.
Aké veľké sú čierne diery?
V skutočnosti je samotné jadro čiernej diery zhlučené na relatívne malom priestore. Všetko ostatné naokolo je ale priťahované smerom do vnútra jadra. Akonáhle sa niečo dostane do priestorov, kde pôsobí gravitačná sila jadra, nedokáže z neho uniknúť. To znamená, že čierna diera je v skutočnosti taká veľká, aké veľké je jej pole pôsobnosti. Poznáme rôzne veľké čierne diery. Astromóvia objavili aj maličké diery, o veľkosti 9.5km, ale aj obrovské, o veľkosti našej celej slnečnej sústavy. Niektoré čierne diery sa otáčajú okolo vlastnej osi (podobne ako planéty) a tým sa stáva ich situácia ešte komplikovanejšia. Všetko navôkol je vtiahnuté do obrovského vesmírneho víru. Všetká hmota okolo takejto čiernej diery je tým pádom prinútená rotovať práve v smere čiernej diery.
Aké typy čiernych dier poznáme
Čierne diery sa na prvý pohľad veľmi líšia jedna od druhej. Ale je to kvôli rozmanitosti hmoty, ktorú pohlcujú. Čierne diery samé o sebe sú všetky vzhľadovo úplne rovnaké. Líšia sa len hmotou, ktorú pohltili, rotáciou a elektrickými výbojmi. Astronómovia dokážu merať veľkosť čiernej diery zmeraním hmoty, ktorá okolo nich obieha. Zatiaľ sme objavili dva typy čiernych dier. Masívne - len niekoľko krát ťažšie ako Slnko a supermasívne - asi tak ťažké, ako naša celá galaxia. Samozrejme hmotnosti čiernych dier sa môžu pohybovať kdekoľvek medzi týmto rozmedzím.
Bolo by možné, aby zem obiehala okolo čiernej diery bez toho, aby ju pohltila?
Áno, je to možné. Bolo by to niečo podobné, ako keď Zem obieha okolo Slnka. Zem taktiež nespadne do Slnka, hoci to nás priťahuje, obiehame okolo neho rýchlosťou 107 826km/h, Ale obiehanie okolo čiernej diery môže byť v rôznych tvaroch, nie len v kruhovom alebo elyptickom.
Môže čierna diera pohltiť svetlo?
Predstavme si, že by sme obiehali okolo čiernej diery vo vzdialenosti väčšej ako je jej gravitačné pole (to znamená, že by nás nepohltila). Ako by vyzerala obloha ? Svetelné lúče prechádzajúce v blízkosti čiernej diery by boli pohltené. Tým pádom, celé gravitačné pásmo by sa javilo ako čierny kruh. Slnečné lúče prechádzajúce v pásme mimo gravitačného poľa by boli buď normálne alebo zčasti pokryvené. To by na pohľad deformovalo oblohu - presne ako v krivom zrkadle. Taktiež by sme videli zdvojené obrazce. Videli by sme napríklad dve rovnaké slnka na oblohe, na každej strane čiernej diery jedno.
Čo sa stane, ak sa zrazia dve čierne diery?
Aj táto možnosť je samozrejme reálna. Akonáhle by sa čierne diery dostali do svojho gravitačného pásma, priťahovali by jedna druhú až by sa napokon zrazili. To by znamenalo vytvorenie jednej väčšej čiernej diery. Táto udalosť by bola extrémne prudká. Pri celom akte zrážky čiernych dier by vznikla strašná tlaková vlna, ktorá by bola uvoľnená do priestoru. Tieto vlny sa nazývajú gravitačné vlny. Avšak až doposiaľ sme nezaznamenali kolíziu dvoch čiernych dier, hoci vo vesmíre je množstvo čiernych dier, ktoré sa časom určite zrazia.
Čo je vo vnútri čiernej diery?
Nemôžeme presne vedieť, čo je vo vnútri gravitačného poľa čiernej diery, nakoľko svetlo ani materiál v tomto území nemôžeme pozorovať. Dokonca ak by sme poslali prieskumnú sondu do čiernej diery, nikdy by s nami nekomunikovala, pretože čierna diera by pohltila aj rádiové vlny. Súčasné teórie predpokladajú, že všetko materiál vtiahnutý do čiernej diery sa hromadí v jadre čiernej diery, ale zatiaľ nevieme, ako to všetko prebieha. Einsteinova teória relativity nám vysvetľuje aj ďalšie neobvyklé správanie čiernych dier. Jadro celej čiernej diery je vraj akýmsi mostom do druhého vesmíru (vid obrázok č.2). Tieto mosty nám dovoľujú cestovať medzi vesmírmi a dokonca aj cestovať v čase. Ale bez nejakých konkrétnych výskumov je táto teória zatiaľ len špekuláciou.
Obrázok 2
Čo sa stane, ak hodím do čiernej diery hodinky ?
Už v blízkosti čiernej diery by sa správal čas veľmi nezvyčajne. Predstavme si, že sme na kozmickej lodi neďaleko čiernej diery. Teraz vhodíme do čiernej diery hodinky a budeme porovnávať ich čas s tými, čo máme na palube. Padajúce hodinky pobežia o poznanie pomalšie, až napokon zastanú a ostanú stáť v čase, aj v priestore. Avšak, ak by sme padali spolu s hodinami, čas by bol absolútne normálny. Presne to je teória relativity.
KLIKNITE SEM PRE UKÁŽKU (potom kliknite na "begin experiment" a následne na "drop the clock")
Existujú čierne diery navždy?
Ak čierne diery dokážu pohlcovať všetko, môže sa na prvý pohľad zdať, že sú nezničiteľné. Ale dnes vieme, že čierne diery sa strácajú, akoby sa ich hmota "vyparovala" späť do vesmíru. Hoci je nám tento fakt obrovskou neznámou, fyzik Stephen Hawking prišiel na veľmi zaujimavé zistenie, ktoré si dodnes nevieme vysvetliť. Hawkingove zistenia boli priam katasrofické. Pri jeho sledovaní menšich čiernych dier zistil, že niektoré čierné diery doslova zmizli v priebehu niekoľkých sekúnd.
Ako vznikajú čierne diery?
Čierna diera vznikne, ak nejaký objekt nie je schopný viac vydržať tlak svojej vlastnej gravitácie. Množstvo objektov (napríklad aj Slnko a Zem) sa však nikdy nestane čiernymi dierami, nakoľko ich gravitácia nie je až tak silná, aby mohol takýto proces vzniknúť. Niektoré čierne diery vznikajú výbuchom. Forumujú sa z obrovských hviezd (asi 25x väčších ako Slnko), v ktorých sa vyčerpá všetko palivo. Hviezda explóduje ako Supernova. Všetko čo po Supernove ostane, je čierna diera. Avšak ako vznikajú superobrovské čierne diery o veľkosti celých galaxií, zatiaľ nevieme. Jednou z možností je, že niektoré Supernovy vybuchli ešte v samotných začiatkoch vesmíru a postupom niekoľko miliárd rokov sa zväčšili na superobrovské.
Mliečna dráha
V strede našej galaxie sa taktiež nachádza jedna obrovská čierna diera. Naša Slnečná sústava sa nachádza približne v jednej tretine tejto galaxie. Slnko obieha okolo čiernej diery rovnakým spôsobom, ako Zem okolo Slnka, ale jeden obeh mu trvá 250 miliónov rokov. Táto čierna diera by nikdy nemala pohltiť naše Slnko, ale pohltí niektoré ostatné hviezdy. Podarilo sa nám zmerať, že čierna diera uprostred našej galaxie je 3 000 000 krát ťažšia ako Slnko.
Koľko čiernych dier existuje?
Vo vesmíre je toľko čiernych dier, že je nemožné ich spočítať. Je to podobné, akoby sme chceli spočítať, koľko zŕnok piesku je na pláži. Našťastie vesmír je obrovský a momentálne nepoznáme žiadnu čiernu dieru, ktorá by ohrozovala Zem. Predpokladáme, že v našej galaxii sa nachádza okolo 100 miliónov čiernych dier, z ktorých bolo zatiaľ identifikovaných len niekoľko desiatok. Najbližšia čierna diera je od Zeme vzidalená 1600 svetelných rokov. Avšak v ponímaní celého vesmíru, niekde v diaľavách vzniká každú sekundu jedna čierna diera
Nové fakty.
Vesmír zahŕňa všetko, čo existuje, od najmenších subatómových častíc až po superkopy galaxií (to sú najväčšie štruktúry, ktoré poznáme). Nikto nevie, aký je vesmír veľký. Astronómovia odhadujú, že obsahuje okolo 100 miliárd galaxií, z ktorých každá má priemerne 100 miliárd hviezd. Teória veľkého tresku (big bang) je najuznávanejšou teóriou vzniku vesmíru a hovorí, že vesmír vznikol obrovskou explóziou - veľkým treskom - pred 10 až 20 miliárdami rokov. Na samom začiatku vesmír pozostával z veľmi horúcej, hustej žeravej gule rozpínajúceho sa, postupne chladnúceho plynu. O milión rokov sa plyn pravdepodobne začal zhusťovať do izolovaných zhlukov, nazývaných protogalaxie. Počas ďalších piatich miliárd rokov zhusťovanie protogalaxií pokračovalo, až sa vytvorili galaxie, v ktorých sa rodili hviezdy. Dnes, po miliardách rokoch, sa vesmír ako celok ešte stále rozpína, aj keď sú v ňom lokalizované oblasti, v ktorých sa objekty udržujú spolu gravitáciou; galaxie napríklad vytvárajú kopy. Teória veľkého tresku je podporená objavom jemného, chladného žiarenia pozadia, ktoré je rozptýlené rovnomerne na všetky smery. Predpokladá sa, že toto žiarenie je pozostatkom (reliktom) žiarenia, ktoré vzniklo pri veľkom tresku. Maličké rozdiely v teplote reliktového žiarenia sa považujú za dôkaz slabých fluktuácií v hustote látky raného vesmíru, čo viedlo k tvorbe galaxií. Astronómovia ešte stále nevedia, či je vesmír "uzavretý", či sa rozpínanie nezastaví a vesmír sa nezačne zmršťovať, alebo či je "otvorený" a bude sa navždy rozpínať.
Čierne diery, zlá reputácia
Čierne diery majú zlú reputáciu. Predstavujeme si ich ako monštrózne zdroje obrovskej príťažlivosti, pohlcujúce každé zrniečko hmoty, ktorú dokážu zachytiť. V tlači sú prezentované ako objekty astronómom málo známe a v teoretickej rovine sa o nich uvažuje ako o konečnom štádiu kozmickej evolúcie. Tieto neviditeľné objekty sú opisované ako mysteriózne prepadlisko skazy a smrti. Preto sa snáď bude zdať trochu zvláštne, že podľa nových teórií sú nepostrádateľnými silami stvorenia a prijať skutočnosť, že čierne diery zohrávajú významnú úlohu vo vývoji vesmíru. Nemožno zabúdať, že momentálne sme schopní spoznať asi 10% toho, čo sa deje, alebo udialo vo vesmíre. Ostatných 90% bude pre nás ešte dlhé roky neodhaliteľným tajomstvom.
Poznatky poslednej doby donútili astronómov zmeniť názor na čierne diery. Podľa najnovších teórií fungujú ako vesmírni sochári. Sú tou základnou silou vo vývoji a tvarovaní galaxií do ich konečnej podoby a určujú usporiadanie hviezd v nich. Čierne diery sú takmer s istotou produktami galaxií, v ktorých sa nachádzajú a galaxie výtvormi čiernych dier. Jedno bez druhého nemôže existovať.
Darwinova galaktická terminológia
Táto novovznikajúca teória obsahuje lákavé, darwinisticky znejúce slovo: koevolúcia, spoluvývoj. Teoretici sa pohrávali už tridsať rokov s myšlienkou, že čierne diery, galaxie i hviezdokopy vznikajú a vyvíjajú sa v tom istom čase. Nahlas sa začala spomínať len krátko pred koncom 20. storočia. Až pozorovania Hubbleovho teleskopu v posledných troch rokoch poskytli pre teóriu koevolúcie skalopevnú podporu a dnes patrí medzi hlavné idey o ktoré sa opiera spoznávanie vývoja čiernych dier a formovania galaxií. Čoraz konkrétnejšia predstava postupu vzniku galaxií od základu zmenila náš pohľad na čierne diery a posunula ich do stredu vedeckého bádania. Predtým sme ich považovali za koncový bod evolúcie, poslednú fázu kľudu všetkej, alebo skoro všetkej hmoty vo vesmíre. Teraz astronómovia nadobúdajú presvedčenie, že čierne diery zohrávajú rozhodujúcu úlohu pri zrode nových galaxií.
Táto myšlienka sa týka hlavne vysvetlenia, ako sa vyvinuli masívne galaxie počas prvej miliardy rokov existencie vesmíru. Je natoľko nová, že teoretici len pred niekoľkými týždňami dostali priamy dôkaz o tom, že galaxie sa vlastne formovali okolo prvotných čiernych dier!
Čo bolo skôr?
Astronómovia sú ako archeológovia - väčšinu svojho života nazerajú do minulosti. Fotóny k nim letia časom a priestorom prinášajú informácie o udalostiach, z ktorých mnohé sa odohrali ešte skôr, než Zem pred 4,5 miliardami rokov vôbec vznikla. Hľadajú odpoveď na otázku, čo bolo skôr - galaxia, alebo čierna diera? Teória zahŕňajúca možnosť spoluvývoja pripúšťa obe možnosti. Galaxia sa môže formovať okolo rastúcej čiernej diery. Bádatelia sa touto myšlienkou vážne začali zaoberať v polovici 90. rokov 20. storočia, keď objavili náznaky, že existencia značne veľkej čiernej diery v strede galaxie mala vplyv na jej tvar.
Zdá sa, že iba v galaxiách so sférickými, vypuklými hviezdnymi komponentami sa nachádzajú supermasívne čierne diery. Jednou z takýchto galaxií je i naša Mliečna dráha. Ak by sme si ju predstavili "z profilu" javila by sa nám ako stereotypne zobrazovaný lietajúci tanier mimozemšťanov s trošku pretiahnutejším a plochejším diskom. Mliečna dráha je menšia ako mnoho iných galaxií, takže má i menej masívnu čiernu dieru - jej hmotnosť zhruba zodpovedá hmotnosti 2,6 milióna násobku Slnka.
Začalo teda pátranie po čiernych dierach. Astronómovia z Texaskej univerzity podali dôkazy o existencii 10 mamutích čiernych dier, ktorých hmotnosť súvisí s galaktickými "vypuklinami" okolo nich. Ďalšie výskumy ukázali, že v mnohých menších galaxiách sa nenachádzajú skupiny hviezd vypuklého tvaru, čo pravdepodobne potvrdzuje, že v nich nie sú čierne diery väčšieho významu.
Variácie teórie
Existuje veľa variácií základnej teórie o spoluvývoji. Každá z nich sa pokúša vysvetliť jeden dráždivý fakt: V (z kozmického hľadiska) okamihu v časovom rozmedzí od 300 do 800 miliónov rokov po Veľkom Tresku sa zrodili prvé čierne diery a každá z nich nahltala hmotu rovnajúcej sa miliarde Sĺnk, ba i viac. Ako sa to stalo? Vznikali zlučovaním dier menších pritiahnutých k sebe a do seba vzájomnou príťažlivosťou? Pažravo hltali každý kúsok hmoty, milióny hviezd, celé slnečné sústavy až narástli natoľko, že sa obklopili celou galaxiou? Určite stojí za zmienku, že priemerná čierna diera má menej ako jedno percento hmotnosti galaxie, ktorá je o ňu zakotvená.
Jednou z najdebatovanejších otázok je, či čierne diery rástli postupne, a či ich "spolupráca" pri tvorbe galaxií prebiehala od samotného začiatku, alebo odštartovala až keď nazhromaždili určité množstvo hmoty. Tiež sa nevie, či čierne diery môžu vznikať aj vo veľmi malých galaxiách a či je nejaké spojenie medzi "malými" dierami ako konečnými bodmi evolúcie veľkých hviezd (niektoré majú iba taký priemer ako väčšie pozemské mesto ale obrovskú hmotnosť) a dierami v centrách galaxií, ktorých hmotnosť je väčšia ako miliónov Sĺnk.
Kvazary pod drobnohľadom
Vedci zaoberajúci sa čiernymi dierami získali skvelého pomocníka v podobe Hubbleovho teleskopu na obežnej dráhe okolo Zeme. Jeho pomocou nazerajú do dávnej minulosti vesmíru. Pozorujú ním najmä kvazary. Galaxie neustále vznikajú a zanikajú a každá prechádza "kvazarovým" obdobím, ktoré je vhodné na pozorovanie pôsobenia čiernych dier. Niektoré galaxie sa môžu stať kvazarmi i niekoľkokrát. Kolízie i spojenia galaxií trvajú milióny rokov. Napríklad v galaxia NGC 6240. Našli v nej nie jednu, ale dve čierne diery. Momentálne sú vzdialené od seba asi 3000 svetelných rokov a očividne sa blížia k sebe. Podľa pozorovaní The Chandra X-ray Observatory, NGC 6240 to sú vlastne dve galaxie, ktoré sa začali zlučovať asi pred 30 miliónmi rokov.
Kolidujúce galaxie známe pod menom Myši a ich čierne diery sa napokon spoja v jedinú gigantickú galaxiu. Takéto splynutia môžu vygenerovať kvazarovú fázu vývoja galaxie.
Dobré vyhliadky
Nepriame pozorovania tiež poukazujú na to, že čierne diery pravdepodobne rotujú, čím dokážu nazhromaždiť a udržať viac plynov a hmoty, ale rukolapný dôkaz o tom ešte neexistuje. Na vyjasnenie otázok okolo spoluvývoja galaxií a čiernych dier, okolo ich vzniku, života i zániku bude treba nahliadnuť ešte detailnejšie do dávnej minulosti i prítomnosti vesmíru. Vyhliadky k tomu sú dobré. Jednou z nich je projekt LISA (Laser Interferometer Space Antenna), satelit NASA, ktorého úlohou bude hľadať "gravitačné vlny" vznikajúce pri zlučovaní čiernych dier. Keby nejakú zachytil dokázalo by sa, že takéto kolosálne kolízie vo vesmíre naozaj nastávajú. Mal by sa dostať do kozmu do roku 2008.
Ďalším tromfom v rukáve astronómov by mal byť JWST (James Web Space Telescope), zariadenie mnohokrát prekonávajúce Hubbleov teleskop. Na obežnú dráhu by mal byť vyslaný v roku 2010. Bude splneným snom astronómov a kozmológov desaťročia snívajúcich o tom, že raz nazrú do najranejších epoch viditeľného vesmíru.