Čierne diery v skutočnosti

Čierne diery v skutočnosti
 
Vytvorenie
Všeobecná relativita (rovnako ako iné metrické teórie gravitácie) tvrdia nielen, že čierne diery môžu existovať, ale v skutočnosti priamo prepovedajú, že sú vytvárané prirodzene, kedykoľvek sa dostatočné množstvo hmoty zhustí v danom priestore vo vesmíre, vďaka procesu nazývanému gravitačné zrútenie (gravitačný kolaps). Keď do budúcej čiernej diery pribúda hmota, jej gravitácia sa zvyšuje – alebo v jazyku relativity – zakrivenie priestoru v okolí sa zväčšuje. Ak úniková rýchlosť v nejakej vzdialenosti od stredu dosiahne rýchlosť svetla, vytvorí sa horizont udalostí vnútri ktorého musí hmota nevyhnutne prepadávať do jednoho bodu vytvárajúc tak singularitu.
Kvantitatívna analýza tejto myšlienky viedla k prepovedi, že hviezda okolo trojnásobku hmotnosti nášho Slnka na konci svojho vývoja (zvyčajne ako neutrónová hviezda), sa takmer nevyhnutne zmrští na kritickú veľkosť potrebnú na naštartovanie gravitačného zrútenia. Keď tento proces začne, nie je možné ho zastaviť žiadnou fyzikálnou silou a vytvorí sa čierna diera.
Kolaps hviezdy vytvorí čiernu dieru aspoň trikrát hmotnejšiu než Slnko. Čierne diery menšie než tento limit môžu byť vytvorené iba ak ich hmota je pod dostatočným tlakom z nejakého zdroja iného ako vlastná gravitácia. Predpokladá sa, že obrovské tlaky potrebné pre takého zrútenie existovali vo veľmi raných štádiách vývoja vesmíru a možno pomáhali vytvoriť prvotné čierne diery, ktoré by mohli mať hmotnosti menšie ako Slnko.

Supermasívne čierne diery obsahujúce od miliónov po miliardy slnečných hmôt môžu byť vytvorené v prípade, že sa niekde vo vesmíre tesní veľký počet hviezd v relatívne malom priestore alebo s veľkými množstvami hmoty kolapsujúcej do „jadra“ čiernej diery alebo opakovanými fúziami menších čiernych dier. Predpokladá sa, že potrebné podmienky existujú v centrách niektorých (ak nie väčšiny) galaxií, vrátane našej Mliečnej dráhy.
 
Pozorovanie
Teória hovorí, že nemôžeme objaviť čierne diery podľa svetla vyžarovaného alebo odrazeného od hmoty v ich vnútri. Tieto objekty však môžu byť predpovedané z pozorovania javov v ich blízkosti, ako napríklad jav gravitačnej šošovky a hviezd, ktoré zdanlivo obiehajú okolo priestoru, kde nie je viditeľná žiadna hmota. Za najviditeľnejšie efekty sú považované tie, ktoré pochádzajú z hmoty rútiacej sa do čiernej diery, ktorá (ako voda tečúca do odtoku) sa podľa predpovedí sústreďuje do extrémne horúcich a rýchlo sa točiacich akréčnych diskov okolo objektu, kým je ním pohltená. Trenie medzi priľahlými zónami disku spôsobuje, že sa prehrieva a vyžaruje veľké množstvá röntgenových lúčov. Toto zahrievanie je výnimočne výkonné a môže premeniť okolo 50% hmoty na žiarenie, v protiklade s nukleárnou fúziou, ktorá dokáže konvertovať iba niekoľko málo percent hmoty na energiu. Ďalšie predpokladané efekty sú úzke prúdy častíc v relativistických rýchlostiach vystrekujúce popri osiach disku. Jedným z možných laických vysvetlení je teória pingpongovej loptičky.

Akréčne disky, prúdy a obiehajúce objekty sa však nenachádzajú len okolo čiernych dier, ale aj okolo iných objektov ako neutrónové hviezdy a dynamika telies okolo týchto atraktorov, ktoré nie sú čiernymi dierami, je veľmi podobná dynamike telies v blízkosti čiernych dier a v súčasnosti je veľmi komplexným a aktívnym predmetom výskumu zahŕňajúcim magnetické polia a plazmovú fyziku. Preto aj platí, že pozorovania akréčnych diskov a obežných pohybov väčšinou iba indikujú existenciu kompaktného objektu s učitou hmotou a hovoria len veľmi málo o jeho podstate. Identifikácia objektu ako čiernej diery vyžaduje ďalšie predpoklady, že žiadny iný objekt (alebo spojený systém objektov) nemôže byť taký hmotný a kompaktný. Väčšina astrofyzikov pripúšťa, že toto je taký prípad, keďže podľa všeobecnej relativity sa musí akákoľvek koncentrácia hmoty dostatočnej hustoty nutne zrútiť do čiernej diery. Jeden dôležitý pozorovateľný rozdiel medzi čiernymi dierami a inými kompaktnými hmotnými objektami je, že akákoľvek kolapsujúca hmota, ktorá napokon narazí na takýto kompaktný hmotný objekt v relativistických rýchlostiach vyvolá nepravidelné intenzívne vzplanutia röntgenového žiarenia a iné ťažké žiarenie. Preto nedostatok takýchto vzplanutí okolo kompaktnej koncentrácie hmoty sa považuje za dôkaz, že objekt je čierna diera bez povrchu, na ktorý by hmota náhle narazila.
 
Vstup človeka
Predpokladajme, že odvážneho kozmonauta premôže zvedavosť a rozhodne sa preniknúť do bezprostrednej blízkosti čiernej diery. Čo sa stane?
Vonkajší pozorovateľ nazaznamená nič mimoriadne. Palubné hodiny budú ukazovať ten istý čas ako hodiny na palube materskej lode. Potom sa však hodiny začnú oneskorovať. Túto “dilatáciu času“ Eistein vo svojej teórii relativity popísal takto: hodiny v gravitačnom poli tikajú pomalšie ako hodiny vo voľnom priestore. Čím viac sa kozmonaut priblíži k horizontu udalostí, k vonkajšiemu okraju čiernej diery, tým pomalšie sa bude z hľadiska vonkajšieho pozorovateľa sekundová ručička posúvať. Vo chvíli, keď prieskumná loď prenikne k horizontu udalostí, ostane čas stáť.
Pozorovatelia z materskej lode nebudú však môcť prekonanie horizontu udalostí sledovať. Obraz pred ich očami zamrzne, bude sa im zdať, že prieskumná loď  sa nad čiernou dierou vznáša ako balón v bezvetrí. Zaznamenajú, že priestor pred nimi červenie, pretože svetlo v boji s gravitáciou stráca čoraz viac energie.

Kozmonaut však bude let k čiernej diere prežívať celkom ináč. Spomaľovanie palubného času si vôbec nevšimne. Naopak, bude sa mu zdať, že hodiny na palube materskej lode sa zbláznili. Priestor v okolí prieskumnej lode sa čudesne preformuje, bude žiariť premenlivými farbami v nevídaných odtieňoch. Gravitačná sila čiernej diery bude narastať.

Ak pôjde o čiernu dieru, ktorej hmotnosť bude iba niekoľkokrát väčšia ako hmotnosť Slnka, budú slapové sily už také silné, že kozmickú loď i jej pilota natiahnu ako špagetu a krátko nato ich roztrhajú na márne kúsky.
Pri veľkých čiernych dierach, ktoré hniezdia v jadrách galaxií, je však hustota na horizonte udalostí taká nizka, že odvážny kozmonaut preletí touto hranicou, spoza ktorej niet návratu, bez akýchkoľvek problémov. Všetko svetlo vesmíru sa vzápätí scvrkne do malého, trblietavého disku. Ešte niekoľko minút bude môcť kozmonaut vnútro ozrutnej gravitačnej pasce pozorovať. Pre vonkajší svet by boli jeho pozorovania bezcenné, lebo jeho rádiové signály by nemohli z gravitačného poľa čiernej diery uniknúť.
To, čo sa deje s hmotou vo vnútri čiernej diery, sa však ani tento kozmonaut nikdy nedozvie: pád do jadra čiernej diery neprežijú ani jeho atómy. Zničí ich ozrutná gravitácia bezo zvyšku, alebo sa hádam niekde inde, možno v nejakom inom vesmíre,  opäť objavia?
 
Nedávne objavy
V roku 2004 bola objavená kopa čiernych dier, čo rozšírilo naše pochopenie rozdelenia čiernych dier vo vesmíre. Toto viedlo vedcov k významnej revízii predstáv, aký je vlastne počet čiernych dier v našom vesmíre. Vďaka objavom v roku 2004 sa predpokladá, že počet čienych dier je blízko päťnásobku pôvodných odhadov. V júli 2004 astronómovia objavili obrovskú čiernu dieru Q0906+6930, v strede vzdialenej galaxie v súhvezdí Veľká medvedica (Ursa Major). Odhadnúť hmotnosť a vek čiernych dier nám môže pomôcť určiť vek vesmíru.
 
V novembri 2004 tím astronómov oznámil objav prvej čiernej diery so strednou hmotnosťou v našej galaxii, obiehajúcej približne tri svetelné roky od Sagittarius A*. Táto stredná čierna diera s hmotnosťou asi 1300 Sĺnk sa nachádza vnútri kopy siedmich hviezd, pravdepodobne ako zostatok masívnej skupiny hviezd, ktorá bola roztrhaná Galaktickým stredom. Tento objav môže podporiť myšlienku, že supermasívne čierne diery sa zvačšujú pohlcovaním blízkych menších čiernych dier a hviezd.
 
Vo februári 2005 bol objavený modrý obor SDSS J090745.0+24507 opúšťajúci Mliečnu dráhu dvojnásobkom únikovej rýchlosti (0.0022 rýchlosti svetla). Trajektóriu hviezdy je možné vystopovať až späť ku galaktickému jadru. Vysoká rýchlosť tejto hviezdy podporuje hypotézu existencie supermasívnej čiernej diery v strede našej galaxie.