Černá díra

Černá díra je oblast prostoru, v níž je gravitační síla tak silná, že z ní nemůže uniknout nic, dokonce ani světlo.

Základní strukturu černé díry tvoří singularita skrytá horizontem událostí. Uvnitř horizontu událostí je úniková rychlost ( vesc ) vyšší než rychlost světla ( c ) a objekt je navždy uvězněn. Mimo horizont událostí je vesc < c a objekt je schopen uniknout.

Existence takových objektů byla poprvé naznačena již koncem 17. století. Byl to však německý astronom Karl Schwarzschild (1873-1916), který v podstatě vytvořil moderní představu o černé díře. Na základě Einsteinovy obecné teorie relativity Schwarzschild zjistil, že hmota stlačená do bodu (dnes známého jako singularita) bude uzavřena kulovou oblastí prostoru, ze které nemůže nic uniknout. Hranice této oblasti se nazývá horizont událostí, což je název, který znamená, že není možné pozorovat žádnou událost, která se v ní odehrává (protože informace se nemůže dostat ven).

Pro nerotující černou díru je poloměr horizontu událostí známý jako Schwarzschildův poloměr a označuje bod, ve kterém se úniková rychlost z černé díry rovná rychlosti světla. Teoreticky může být jakákoli hmota stlačena natolik, že vytvoří černou díru. Jedinou podmínkou je, aby její fyzikální velikost byla menší než Schwarzschildův poloměr. Například naše Slunce by se stalo černou dírou, pokud by jeho hmota byla obsažena v kouli o průměru asi 2,5 km.

Daleko uvnitř horizontu událostí se nachází srdce černé díry – singularita. Vše uvnitř horizontu událostí je nezvratně přitahováno k tomuto bodu, kde se zakřivení prostoročasu stává nekonečným a gravitace je nekonečně silná. Zajímavým dilematem pro astrofyziky je, že fyzikální podmínky v blízkosti singularity vedou k úplnému rozpadu fyzikálních zákonů. Přesto v obecné teorii relativity není nic, co by bránilo existenci izolovaných nebo „holých“ singularit. Aby se předešlo situaci, kdy bychom skutečně mohli vidět, že k takovému rozpadu fyziky dochází, byla navržena domněnka o kosmické cenzuře. Ta říká, že každá singularita musí mít horizont událostí, který ji skryje před zraky – což je přesně to, co nacházíme u černých děr.

Černé díry jsou kompletně charakterizovány pouze třemi parametry: hmotností, rotací a nábojem. V současné době se předpokládá, že existují 4 hlavní typy černých děr, pokud je klasifikujeme podle hmotnosti:

1. Primordiální černé díry mají hmotnost srovnatelnou nebo menší než Země. Tyto čistě hypotetické objekty mohly vzniknout gravitačním kolapsem oblastí s vysokou hustotou v době velkého třesku.
2. Hvězdné černé díry mají hmotnosti mezi přibližně 4 a 100 hmotnostmi Slunce a jsou výsledkem kolapsu jádra masivní hvězdy na konci jejího života.
3. Mohou existovat i černé díry střední hmotnosti o hmotnostech 102 a 105 hmotností Slunce. První dobrou IMBH je rentgenový zdroj HLX-1, pozorovaný v projekci poblíž centra galaxie S0 ESO 243-49.
4. Supermasivní černé díry mají hmotnost 105 až 1010 hmotností Slunce a nacházejí se v centrech většiny velkých galaxií.

Alternativně lze černé díry klasifikovat podle jejich dalších dvou vlastností – rotace a náboje:

1. Schwarzschildova černá díra, jinak známá jako „statická černá díra“, nerotuje a nemá elektrický náboj. Je charakterizována pouze svou hmotností.
2. Kerrova černá díra představuje realističtější scénář. Jedná se o rotující černou díru bez elektrického náboje.
3. Nabitá černá díra může být dvojího typu. Nabitá nerotující černá díra se nazývá Reissnerova-Nordstromova černá díra, nabitá rotující černá díra se nazývá Kerrova-Newmanova černá díra.

Podle klasické obecné teorie relativity platí, že jakmile černá díra vznikne, bude trvat věčně, protože jí nic neunikne. Pokud však vezmeme v úvahu i kvantovou mechaniku, ukáže se, že všechny černé díry se nakonec vypaří, protože z nich pomalu uniká Hawkingovo záření. To znamená, že životnost černé díry závisí na její hmotnosti, přičemž menší černé díry se vypařují rychleji než větší. Například černá díra o hmotnosti 1 Slunce se vypaří za 1067 let (mnohem déle, než je současné stáří vesmíru), zatímco černá díra o hmotnosti pouhých 1011 kg se vypaří během 3 miliard let.

Černé díry se detekují pozorováním vysokoenergetických jevů a pohybů blízkých objektů. Tento graf orbitálního pohybu hvězdy S2 kolem středu Mléčné dráhy poskytuje přesvědčivé důkazy o existenci supermasivní černé díry (~3 miliony hmotností Slunce) v centru naší galaxie.
Kredit: ESO

Pozorování černých děr samozřejmě není jednoduché. Protože záření nemůže uniknout extrémní gravitační přitažlivosti černé díry, nemůžeme je přímo detekovat. Místo toho usuzujeme na jejich existenci na základě pozorování vysokoenergetických jevů, jako je rentgenová emise a jety, a pohybů blízkých objektů na oběžné dráze kolem skryté hmoty. Další komplikací je, že podobné jevy pozorujeme i kolem méně hmotných neutronových hvězd a pulsarů. Proto identifikace jako černé díry vyžaduje, aby astronomové provedli odhad hmotnosti objektu a jeho velikosti. Černá díra je potvrzena, pokud žádný jiný objekt nebo skupina objektů nemůže být tak hmotná a kompaktní.