Vábení stínů černých děr  
Zatím všechno nasvědčuje tomu, že v blízké budoucnosti budeme schopni pozorovat siluety černých děr. Jaké asi budou?

 

Jak asi bude vypadat Sagittarius A* pohledem Event Horizon Telescope? Simulace z roku 2010. Kredit: Dexter et al. (2010).
Jak asi bude vypadat Sagittarius A* pohledem Event Horizon Telescope? Simulace z roku 2010. Kredit: Dexter et al. (2010).

Einsteinova obecná teorie relativity se bez vážnější újmy na zdraví dožívá úctyhodných 100 let. Její platnost zatím potvrzují všechny experimenty uskutečněné s nejcitlivějšími detektory v gravitačním poli Země. Potvrdili ji dokonce i v mnohem silnějším gravitačním poli systému dvou obíhajících pulzarů. Případné neduhy obecné relativity jsou tak jenom koncepčního rázu.

Potíže obecné relativity

 

Největší problém dotýkající se obecné relativity je vlastně její nesoulad s kvantovou teorií. Dosavadní pokusy kvantovat gravitační pole a nalézt tak cestu ke sjednocené teorii všeho zatím vyzněly do ztracena. Sjednocená teorie přitom hraje zásadní roli v popisu nejranějších fází vývoje vesmíru. Trpkým koncepčním problémem jsou i singularity ukryté v nitrech černých děr, kde obecná relativita předpovídá těžko uvěřitelné nekonečné hodnoty křivosti prostoročasu i dalších veličin. Obecná relativita předpovídá pro konečnou fázi gravitačního kolapsu hmoty jediné možné černoděrové řešení Einsteinových rovnic, v němž je prostoročasové geometrie zcela popsaná hmotností černé díry, spinem určujícím rychlost její rotace a jejím astrofyzikálně nepříliš realistickým elektrickým nábojem. Všechny ostatní vlastnosti hmoty i polí, z nichžž černá díra vznikla, jsou skryty pod horizontem událostí, jako za neproniknutelným závěsem. Poetický výrok astrofyzika Johna Archibalda Wheelera, který je také autorem samotného pojmu „černá díra“, o tom říká, že „černá díra nemá vlasy“. 

Geometrie prostoročasu kolem rotující a nenabité černé díry byla poprvé popsána novozélandským matematikem Royem Kerrem, a proto se také nazývá Kerrova geometrie. Pokud by se nám povedlo pozorovat reálnou geometrii prostoročasu v okolí černých děr, která by se lišila od Kerrova popisu, tak by to bylo na hlubokou revizi relativistické fyziky a snad i vývoj směrem k nové alternativní teorii (možná i kvantové) gravitace. Kandidátů na nástupce obecné relativity stojí ve frontě celá řada, například různé varianty hypotézy hyperprostorových bránových světů inspirované vícerozměrnou Kaluzovou-Kleinovou relativitou a superstrunovými teoriemi, skalárně-tenzorové teorie předpovídající černé díry přece jenom s vlasy, kvantová Hořavova gravitace pracující s anizotropií času a prostoru při vysokých energiích nebo relativistická verze modifikované Newtonovy dynamiky (MOND).

Hotové nebo budované teleskopy sítě Event Horizon Telescope. Kredit: EHT.
Hotové nebo budované teleskopy sítě Event Horizon Telescope. Kredit: EHT.


Pozorování stínu supermasivní černé díry

 

Přestože nemůžeme nahlédnout přímo do nitra černých děr, leccos nám o nich může napovědět okolní prostoročas. Černé díry se vzdáleným pozorovatelům promítají na hvězdném pozadí jako temné stíny, kvůli extrémnímu zakřivení světelných paprsků drtivou gravitací. Pozorování stínů černých děr je ale velice obtížné. Nejbližší známé černé díry jsou vzdálené tisíce světelných let daleko a nejsou přitom větší než několik desítek kilometrů.

Zajímavou výjimkou je supermasivní díra sedící v samotném středu Mléčné dráhy, označovaná jako Sagittarius A*. Ta nevznikla gravitačním zhroucením jedné hvězdy, ale mnoha milionů hvězd, anebo vznikla ještě dříve, než se hvězdy vůbec začaly rodit. Hmotnost tohoto monstra se odhaduje na 4 miliony Sluncí. Schwarzschildův poloměr této černé díry je asi 12 milionů km, tedy zhruba 17násobek poloměru Slunce. Vzhledem k vzdálenosti kolem 26 tisíc světelných let je ale její úhlový rozměr velmi nepatrný, jen několik desítek miliontin obloukové vteřiny.

Zařízení Gravity na teleskopech VLT. Kredit: ESO.
Zařízení Gravity na teleskopech VLT. Kredit: ESO.


Gravity a Event Horizon Telescope

 

Přesto je už i takový objekt na hranici možností pozemských technologií. Mohly by to zvládnout pozemské detektory při využití velmi citlivé techniky interferometrie, kdy se skládá signál z více detektorů současně. Právě budování takovýchto propojených sítí detektorů nyní zaměstnává astronomy celého světa, kteří by rádi zachytily stín černé díry ve středu Mléčné dráhy. Projekt Evropské jižní observatoře (ESO), nazvaný výstižně Gravity, využije nejcitlivějších detektorů zabudovaných do dalekohledů soustavy Very Large Telescope (VLT) na hoře Paranal v Chile. Díky tomuto experimentu bude možné studovat hmotu v bezprostřední blízkosti černé díry. Nová data by nám měla objasnit původ záblesků v blízké infračervené oblasti, které byly v minulosti již několikrát pozorovány.

Ještě ambicióznějším projektem je Event Horizon Telescope (EHT). Opět nejde jen o jeden dalekohled, ale o celosvětovou síť antén, do které se postupně zapojí stanice s dalekohledy ve Spojených státech, na Havaji, v Chile, v Evropě i na jižním pólu na Antarktidě. Citlivé detektory budou analyzovat záření přicházející na vlnových délkách kratších než milimetr, tedy v submilimetrové oblasti. Jak název projektu napovídá, jeho cílem je studium horizontu událostí, tedy samotné hranice černé díry. S jeho pomocí bude možné studovat stíny, které černé díry vytvářejí na pozadí záření hmoty, jež do nich padá.

Samotné stíny černých děr ale nejsou tak zajímavé jako jejich okraje, které jsou formovány paprsky unikajícími z těsné blízkosti černých děr, kde silná gravitace dočasně zachycuje fotony na sférických orbitách. Unikající paprsky jsou na své komplikované pouti z hloubky gravitačního pole až ke vzdálenému pozorovateli ohýbány zakřivením prostoročasu a strhávány jeho rotací. Siluety černých děr jsou proto charakteristickými otisky prostoročasové geometrie a jejich tvar výrazně závisí nejen na rotaci černé díry, ale i na poloze vzdáleného pozorovatele vůči černoděrové ose rotace.

Pavel Bakala. Kredit: FPF SLU.
Pavel Bakala. Kredit: FPF SLU.

 

 

Exotické stíny v prostoročasu

 

Oblíbenou alternativou relativistické kosmologie je model bránového světa Lisy Randallové a Ramana Sundruma založený na představě našeho vesmíru jako brány, třídimenzionální membrány plující pětirozměrným hyperprostorem. V bránovém světě mohou mít brány náboj. Kladným i záporným bránovým nábojům odpovídají specifické „bránové“ deformace černoděrových prostoročasů a následně i siluet černých děr. Existují také radikálnější teorie, které nahrazují samotné černé díry jinými, ještě o něco podivnějšími kosmickými monstry. Například některé verze superstrunových teorií umožňují existenci superspinarů, které rotují rychleji než extrémní černé díry s horizontem událostí rotujícím rychlostí světla. Exotické superspinary by se prozradily neméně exotickými optickými efekty

 

Nakolik se můžeme těšit na exotické objevy u černých děr, ukáže až čas. Jemné geometrické detaily stínů i siluet je bohužel opticky rozmazáváno a znečišťováno intenzivním zářením plynu a prachu v těsném okolí černých děr i v okolním vesmíru. Supermasivní černá díra v centru Mléčné dráhy je ale v porovnání s aktivními galaktickými jádry docela klidná. Pokud Event Horizon Telescope získá dostatečnou úhlovou rozlišovací schopnost, bude možné stín i siluetu černé díry v záření okolních struktur dobře rozlišit. V případě úspěchu budeme mít příležitost nejenom testovat předpovědi obecné relativity a jejích alternativ, ale i poprvé spatřit skutečně silné zakřivení prostoročasu (téměř) na vlastní oči.

 

Redakčně zkráceno. Podobný článek vyšel v časopisu Vesmír 2015/11.

Autor: Pavel Bakala , Jiří Svoboda
Datum: 12.11.2015
Tisk článku

Le voleur d'innocence - Fregni R.
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 188 Kč
cena: 186 Kč
Le voleur d'innocence
Fregni R.
Související články:

Teleskop Planck, fluktuace reliktního záření a konec koperníkovského principu     Autor: Pavel Bakala (24.03.2013)



Diskuze:

Viditeľnosť

Marek Fucila,2015-11-13 10:52:12

Pre mňa je zaujímavý aj fakt, že pri tak malom objekte a takom množstve hviezd, ktoré nás delia od stredu galaxie máme "priamu viditeľnosť" centrálnej čiernej diery. Galaxia musí byť teda dosť riedka,ak nie je naustále "zatmenie" (zasvetlenie :-)) čiernej diery nejakou hviezdou.

Má niekto predstavu, zhruba koľko % hvieyd v našej galaxii je z daného miesta neviditeľných preto, že nám ich niečo zakrýva? Myslel som si, že veľa, ale ak vidíme priamo do stredu, tak asi to bude malé percento.

Odpovědět


Re: Viditeľnosť

Martin Zikmund,2015-11-13 12:05:28

Průměrná hustota Galaxie je asi 10 na -23 g/cm3 (googlil som :). Pro srovnání, hustota prostoru mezi naší galaxií a galaxií v Andromedě je cca 10 na -29 g/cm3. Hustota Galaxie je tedy milionkrát vyšší, než hustota mezigalaktického prostoru, ale i tak mi to přijde celkem málo.

Odpovědět


Re: Re: Viditeľnosť

Petr Kr,2015-11-13 13:10:08

Problém asi nebude v "průměrné" hustotě "prázdna", ale v nerovnoměrnosti rozložení mezihvězdného plynu a prachu, do kterého se navíc ještě montuje nepořádek okolo hvězd samotných. Pochopitelně navíc směrem k centru galaxie se to ještě zahušťuje a tak průměr je k ničemu, protože do průměru kecá mnohem více objem s rostoucí vzdáleností od centra. Takže údaj zajímavý, ale...
Já sám jsem slyšel a dosud si myslel, že se do centra nedíváme optikou viditelného světla, ale že na to musí být jiná aparatura (možná také zmínka o submilimetrových detektorech v článku).

Odpovědět

ověření teorií o singularitách

Adam Trhoň,2015-11-12 09:24:06

Když už jsme u těch černých děr, také bych měl otázku. Nejdřív pár předpokladů:

Když se černá díra hroutí, tak hustota není nekonečná skokově, ale zvyšuje se podle nějaké spojité funkce, která v konečném čase skončí v nekonečnu.

Spolu se zvyšováním hustoty dochází ke zpomalování času. Čím hustější díra, tím pomalejší čas.

Z toho mi vychází, že pro vytvoření singularity musí ve vnějším vesmíru uběhnout nekonečný čas.

V našem vesmíru nekonečný čas ještě neuběhl, a řekl bych že, co se týče lidstva, nikdy neuběhne. Singularity tedy v našem vesmíru nikdy nebudou. Tím pádem ani nekonečná hustota či křivost.

A teď otázka:
Má cenu se zabývat tím, jak vypadá singularita, když takovou teorii nikdy neověříme?

Odpovědět


Re: ověření teorií o singularitách

Petr Sikora,2015-11-12 11:26:52

Zkuste něco nastudovat, třeba zde
http://astronuklfyzika.cz/Gravitace4-2.htm nebo zde

http://hvezdy.astro.cz/dira/32-historie-vyzkumu-cernych-der

Odpovědět


Re: ověření teorií o singularitách

Pavel Ouběch,2015-11-12 14:51:12

Studium určitě neuškodí, ale máte 100% pravdu. Z pohledu vnějšího pozorovatele - tedy nás i kohokoliv právě nepadajícího do černé díry, tyto vzniknou až za nekonečně dlouhou dobu. Však, než se ujal název černá díra se jim také říkalo zamrzlé hvězdy.
Dnešní teorie o černých děrách většinou - a bohužel mlčky - vychází z pohledu pozorovatele do černé díry padajícího, tedy i z pohledu samotné hroutící se hmoty. Ten (ta) dosáhne singularity vlivem gravitační dilatace času ve svém konečném čase (většinou i velmi krátkém). Nicméně pro prakticky celý vesmír kolem uplyne nekonečně dlouhá doba.
Je otázka, jestli vesmír za nekonečnou dobu bude ještě existovat.

Tedy odpověď na otázu - Za mne - zabývat se černými děrami moc smysl nemá. Ovšem S. Howking, který se jejich studiem proslavil a další by byli asi jiného názoru :-)

Odpovědět


Re: ověření teorií o singularitách

Drahomír Strouhal,2015-11-12 15:38:11

Jenže singularita tam je :-). Z nějakého neznámého důvodu lidi pořád zapomímají na hmotu, která je pod horizontem událostí a zabývají se jen pádem hmoty do černé díry. V okamžiku, kdy spatříme vytvoření horizontu událostí, vzniká singularita tvořená hmotou jím uzavřená.

Co se týká matematiky pádu a časové diletace - hmota z vnějšku prakticky nemá šanci na horizont událostí dopadnout. A i když tady mnozí říkají, že nekonečno se změní v krátký okamžik, dovolím si nesouhlasit. Matematický počet je jasný. Vydělte nekonečno jakkoli vysokým číslem blížícímu se nekonečnu a dostanete znovu nekonečno. Prostě neexistuje konečná doba dopadu na horizont událostí.
Zase na druhou stranu, smrt je jistá ve velmi krátkém okamžiku, kdyby se o přiblížení někdo pokusil.

Odpovědět


Re: Re: ověření teorií o singularitách

Jiří Brunner,2015-11-13 01:19:08

Singularita tam je:
Zkusím jiný pohled. Máte pravdu, že hmota pod horizontem musí být, protože ten horizont tvoří. Ale protože už na horizontu pro náš vesmír stojí čas, tak pro náš čas ta hmota do singularity ještě nestačila dopadnout.Kdyby to stihla a v singularitě "zmizela" co by udržovalo horizont s gravitací.
Ten Vesmír je opravdu zvláštní místo. Pro náš čas téměř nekonečná doba, pro vlastní čas č. díry krátký okamžik a šup, třeba exploduje v naší nekonečné budoucnosti. Nejlepší je, že to může být i jinak.

Odpovědět


Re: ověření teorií o singularitách

Daniel Konečný,2015-11-12 20:40:48

Má to cenu. Singularity mohou vznikat v krajních případech, které teorie už nedokáže popsat - nejsou skutečné a zobecněná teorie je vysvětlí v konečných hodnotách. A přestože pod horizont asi nikdy nenahlédneme, ze zobecněné teorie by mělo plynout spousta dalších, snad už testovatelných, jevů. A těmi si potvrdíme, že by měla být správná. A přijdeme na nové věci, přestože by teorie vznikla na nějakých netestovatelných předpokladech ohledně dějů pod horizontem. O dějích uvnitř si teď můžeme myslet cokoliv, proto odchylka skutečné geometrie od té současné teoretické může posloužit jako skvělá nápověda, staré i nové teorie si budou mít s čím hrát "aby to sedělo" a jaké z toho plynou důsledky a jestli je můžeme nějak ověřit...

Odpovědět

Sivé objekty.

Richard Palkovac,2015-11-12 09:05:13

Čierne diery sú podľa mňa skôr Sivé objekty, v ktorých sa hmota "stráca". Mám o tom malú, naivnú hypotézu, ktorá sa dá prečítať tu :

http://hayabusa.slovakforum.net/t264-topic

Odpovědět


Re: Sivé objekty.

Marek Fucila,2015-11-12 14:33:43

A čo tak si o tom niečo prečítať?
Nie som fyzik, ale základy prečo to tak nie je si myslím že viem:
1. Farba
To, či niečo vidíme zavisí na tom, či k nám priletia z toho miesta fotóny. Ich farba je vecou ich energie. Intenzita je zas ich počet. Všetky odtiene sivej = biele svetlo rôznej intenzity. Biele = zmes fotónov rôznych energií (ak niektoré energie prevládajú, svetlo bude mať nejaký odtieň - žlté, modré...). Takže aby sme videli niečo sivo, muselo by k nám z toho miesta prichádzať svetlo s "vyladeným" zložením frekvencií/energií fotónov, a toho svetla by malo byť "málo" na to, aby to žiarilo na bielo a "veľa" na to, abyto nebolo čierne. Čierna je totiž absencia svetla.
2. Horizont udalostí
čierna diera nie je guľa materiálu, ktorý v nej skončil. To, čo môžeme "pozorovať" je horizont udalostí - bublina okolo niečoho, čo je čierna diera. To, ako je to za touto hranicou hovoria tu spomínané teórie. Vidieť to nemôžeme. A to preto, že žiaden fotón odtiaľ nemôže priletieť.
Takže ak je niečo o čiernych dierach známe, tak to, že už čiernejší objek byť ani nemôže. Ani keby ste si na ňu posvietili. Svetlo by sa neodrazilo.

Odpovědět


Re: Re: Sivé objekty.

Richard Palkovac,2015-11-12 15:03:27

Dakujem Vam, ze ste si precitali moju hypotezu.

Co sa tyka farby, tak nazov "sive" neznamena sivu farbu, ale ako to aj pisem :

"Pokiaľ by táto hypotéza bola pravdivá, čierne diery by sa mali skôr volať „Sivé objekty“ (SO), pretože ich gravitačné pôsobenie na okolie by nebolo až také drastické ako sa predpokladá u čiernych dier u ktorých by aj hmota v singularite mala gravitačné účinky."

Takze ani zo "Sivych objektov" svetlo neunika.

Odpovědět


Re: Re: Re: Sivé objekty.

Marek Fucila,2015-11-12 16:12:07

Lenže výroky akože "až také drastické" ako aj celá vaša hypotéza stoja úplne na vode. Koľko je to drastické? Gravitácia má presne dané parametre. Vychádza to niekomu z rovníc? Takých teórií môže ktokoľvek navymýšľať ľubovoľné množstvo. Neviem čo chcete povedať čistou energiou, ale to sú napríklad fotóny. Tie hmotnosť nemajú. A zaručene z čiernej diery neunikajú...

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Sivé objekty.

Richard Palkovac,2015-11-12 17:37:27

Je to naivna hypoteza, to so napisal hned na zaciatku, takze ziadne prepocty na potvrdenie nemam, lenze zakladna myslienka ,ze gravitacna a zotrvacna hnmota v ciernej diere - "sivom objekte" mizne, myslim nie je na zahodenie, hlavne ked si v sucasnosti musia fyzici vymyslat zapornu tnavu energiu.

Pokial niekto ma zaujem urobit nejake prepocty ja budem len rad.

Co sa tyka toho "drasticke" , tak v pripade mojej hypotezy, kedze do BODu je mozne natlacit lubovolne mnozstvo hmoty (odpor voci natlaceniu nestupa s mnozstvom uz natlacenej hmoty), aj to "drasticke" moze byt lubovolne velke.

Pojem "cista energia" v hypoteze definujem len ako "potencial", moznost, zmenit sa na povodne mnozstvo hmoty po uvolneni z BODu. Je to nieco, co sucasna fyzika nepozna.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni