Jak vznikají černé díry: Dokážeme vyluštit záhadu temných žroutů?

20.05.2014 - Michal Švanda

Označení „černá díra“ poprvé použil v roce 1967 americký fyzik John Wheeler. Sám však v existenci těchto objektů odmítal uvěřit. Jak tato „žravá“ monstra vznikají?


Reklama

O objektech hmotných tak, že od nich nemůže uniknout ani světlo, uvažoval již anglický geolog John Michell v roce 1783. Vypočítal, že kdyby existovalo těleso pětsetkrát větší než Slunce se stejnou hustotou, mělo by únikovou rychlost na povrchu větší, než je rychlost světla, a mělo by tak být neviditelné. Přemítal tehdy o černé hvězdě.

Od nástupu obecné teorie relativity, zveřejněné v roce 1915 Albertem Einsteinem, se celá plejáda teoretických fyziků věnovala gravitačně zhrouceným tělesům. Karl Schwarzschild řešením Einsteinových rovnic ukázal, že gravitačně zhroucené objekty mohou existovat, a stanovil podmínku pro gravitační kolaps tělesa, dnes známou jako Schwarzschildův poloměr.

O co jde? Je-li poloměr nějakého tělesa menší než Schwarzschildův poloměr, pak se toto těleso nevyhnutelně zhroutí do černé díry. Schwarzschildův poloměr je dán jen a pouze hmotností tělesa. Kdybychom chtěli ze Země vytvořit černou díru, museli bychom ji zmáčknout na kouli o poloměru 9 mm. Pro Slunce činí Schwarzschildův poloměr asi 3 km. Schwarzschildův poloměr také charakterizuje vzdálenost mezi singularitou a horizontem událostí.

Tip: Nachází se v centru každé galaxie černá díra?

S rozvojem teorie hvězdných niter před druhou světovou válkou předpověděl Robert Oppenheimer, že dobrým kandidátem na gravitační kolaps v závěrečných fázích svého vývoje jsou masivní hvězdy, čímž by černé díry vznikaly zcela přirozeně. Většina fyziků však považovala tuto možnost za ryze akademickou a o reálné existenci těchto objektů až do druhé poloviny 60. let příliš neuvažovala. V roce 1971 objevil Tom Bolton prvního kandidáta na černou díru – rentgenový zdroj Cygnus X-1.

Spousta hmoty na malém prostoru

Očekává se, že černé díry mohou vznikat třemi způsoby. Druhým způsobem po gravitačním kolapsu hmotné hvězdy je prosté nahromadění nadkritického množství hmoty v omezeném prostoru. Takto – náhodným nahromaděním horké látky v malém prostoru – vznikly zřejmě krátce po zrodu vesmíru primordiální černé díry nejrůznějších hmotností. Jejich existence nebyla doposud podpořena pozorováními, přestože by jich ve vesmíru mělo existovat nepřeberné množství. Primordinální černé díry jsou možná složkou skryté hmoty, jež se ve vesmíru projevuje pouze svou gravitací.

Tip: Nová teorie Stephena Hawkinga: Černé díry možná neexistují

Podobným způsobem se vytvoří horizont událostí (hranice, za kterou nic neunikne, ani světlo) kolem hmoty nakupené ve formě hvězd, plynu i hvězdných černých děr v centrech velkých galaxií a pravděpodobně také některých hvězdokup. Mluvíme o supermasivních černých dírách s hmotnostmi mnoha milionů Sluncí. Vlastní podstata a zejména datování vzniku supermasivních černých děr je stále předmětem vědeckých diskusí.

Pozorování centra galaxie NGC 4051 ukazují, že v něm sídlící černá díra vystřeluje proud horkého plynu obsahujícího prvky jako uhlík nebo kyslík, které považujeme za klíčové při vzniku života. Tento případ naznačuje, že černé díry mohou hrát důležitou roli při vývoji chemického složení galaxií a potažmo při vzniku kamenných planet nebo dokonce života. 

Na hranici vědecké fantazie je vznik miniaturních černých děr, které by teoreticky mělo být možné vytvořit na Zemi v obrovských částicových urychlovačích. Pokud se zde sráží těžká atomová jádra velkými rychlostmi, existuje možnost, že se místo srážky obklopí horizontem událostí. Taková černá díra by se však ihned vypařila.

Tip: Planckova hvězda: Paradox černých děr vyřešen?

Umírající hvězdy

Předky nejběžnějších černých děr jsou hvězdy. Hvězda celý svůj život bojuje o rovnováhu mezi gravitací, snažící se ji smrštit, a silou směřující ven, vyráběnou mohutným termonukleárním reaktorem ve svém nitru. Rozhodující vliv na délku tohoto boje má hmotnost hvězdy. Čím je hvězda hmotnější, tím rychleji její vývoj probíhá a tím pompéznější je také její konec. Hvězdy s malou hmotností jen pomalu dokončí svůj nukleární vývoj a vychladnou. Hvězdy s podobnou hmotností jako Slunce se v závěru svého vývoje zbaví vnějších obalů a odhalí horké jádro složené převážně z nukleárního popela – uhlíku a kyslíku. Z hvězdy vznikne bílý trpaslík.

Hvězda s hmotností alespoň pěti Sluncí bude mít na konci života uvnitř jádro složené z prvků od uhlíku až po železo. Pokud hmotnost tohoto jádra přesáhne Chandrasekharovu mez (přibližně 1,38násobek hmotnosti Slunce), začne se jádro gravitačně smršťovat. Gravitace zbortí elektronové obaly atomů a namačká atomová jádra jedno vedle druhého. Elektrony z obalů atomů s protony v jádrech spolu reagují a vytvoří neutrální neutrony. Vznikne neobyčejně kompaktní objekt – neutronová hvězda. Proces obvykle doprovází výbuch supernovy. Pokud by se mělo Slunce proměnit v neutronovou hvězdu, muselo by být namačkáno do koule o průměru asi deseti kilometrů.

Tip: Žijeme v černé díře? Bláznivá teorie nebo reálná možnost?

Pokud však hmotnost jádra vyvinuté hvězdy přesahuje tzv. Tolmanovu-Oppenheimerovu-Volkoffovu mez, tj. 3–5 hmotností Slunce, nedokáže jádro gravitaci odolat a dále kolabuje. Následně se obalí horizontem událostí a vzniká hvězdná černá díra. Tento osud potká opravdu masivní hvězdy s hmotností alespoň 25 Sluncí. Odhaduje se, že v naší Galaxii by se mělo nacházet sto milionů hvězdných černých děr.

  • Zdroj textu:

    Tajemství vesmíru 11/2012

  • Zdroj fotografií: ESO

Reklama

Další články v sekci

Reklama

Reklama

Aktuální články

Ke zděšení maminky Žofie si František Josef vybral za manželku nezkrotnou Sissi.

Historie
Věda

Určování vítěze je často problematické. Hlavní sudí má proto k ruce také poradce okolo ringu.

Zajímavosti

Místo dopadu izraelské sondy Berešít.

Vesmír

Společně s Wehrmachtem se v Sudetech dočkali vděčnosti také příslušníci Freikorpsu, které ocenil i Adolf Hitler

Válka

T-pod během jízdy v prostoru zařízení společnosti DB Schenker

Věda

Nové časopisy Extra Publishing

RSSInzerceO serveru (Redakce)Partnerské weby
© Extra Publishing, s. r. o. 2007–2011. ISSN 1804-9907