Co se skrývá uvnitř černé díry? Podle nového modelu tam může klidně přežívat stabilní neutronová hvězda

Otázka, co se ve skutečnosti nachází uvnitř černé díry, patří k těm, na které fyzika zatím nedokáže dát úplně uspokojivou odpověď. Podle současných teorií se ve středu černé díry nachází singularita – bod, v němž je hmota stlačena do nekonečné hustoty a kde naše současné rovnice přestávají dávat smysl. Ve skutečnosti to není ani tak odpověď, jako spíš přiznání, že současná fyzika v určitém bodě neví, jak dál.

Nová práce fyziků Čchen Tchana a Jung-Čchiang Wanga z univerzity v čínském Lan-čou nabízí podstatně zajímavější možnost. Autoři popsali hypotetický objekt, který bychom mohli poněkud volně označit jako neutronovou hvězdu uvnitř černé díry. 

Nejde přitom o černou díru, která by vznikla klasickým gravitačním kolapsem hvězdy. V jejich modelu se neutronová hvězda vůbec nezhroutí. Přesto se kolem ní vytvoří oblast s vlastnostmi černé díry – včetně horizontu událostí.

Černá díra bez singularity

Celá myšlenka vychází z poněkud exotické představy o temné hmotě. Fyzikové už nějakou dobu pracují s možností, že by některé formy temné hmoty mohly za určitých podmínek vytvořit velmi neobvyklé gravitační objekty.

Pokud má temná hmota specifický vztah mezi tlakem a hustotou a vytvoří kolem objektu dostatečně husté halo, může podle některých matematických modelů vzniknout regulární černá díra. Na rozdíl od běžné černé díry přitom nemusí mít ve svém středu singularitu, což je zásadní rozdíl.

U klasického popisu černé díry se po překročení horizontu událostí hmota nezadržitelně řítí směrem k singularitě, kde podle obecné relativity dosahuje hustota nekonečné hodnoty. U regulární černé díry zůstávají fyzikální veličiny konečné a matematický popis se nezhroutí ani v samotném středu.

Tchan a Wang si proto položili jednoduchou otázku: Co se stane, když do takového hala z temné hmoty umístíme obyčejnou neutronovou hvězdu?

V sevření temné hmoty

Neutronové hvězdy patří mezi nejhustší známé objekty ve vesmíru. Vznikají například coby pozůstatek po supernově, když se jádro masivní hvězdy zhroutí a protony s elektrony jsou za extrémního tlaku přeměněny na neutrony. Objekt o hmotnosti srovnatelné se Sluncem se tak může vměstnat do koule o průměru pouhých několika desítek kilometrů.

V novém modelu se však neutronová hvězda nachází uvnitř hustého oblaku temné hmoty. Výsledná konfigurace závisí především na hustotě tohoto oblaku (hala).

Pokud je hustota temné hmoty dostatečně nízká, nestane se nic dramatického. Výsledkem je v zásadě neutronová hvězda obklopená oblakem temné hmoty. Její gravitační prostředí ji může poněkud deformovat či stlačit, ale hvězda zůstává stabilní.

Na opačném konci je situace rovněž poměrně jasná. Když hustota temné hmoty překročí určitou hranici, celý systém se stane nestabilním a žádné stabilní řešení rovnic struktury hvězdy už neexistuje. Mezi těmito dvěma extrémy se ale může objevit i něco mnohem podivnějšího.

Hvězda za horizontem

V určitém rozmezí hustot temné hmoty matematický model dovoluje existenci stabilní konfigurace, která připomíná něco z kosmického sci-fi.

V jedné z modelových konfigurací má neutronová hvězda povrch ve vzdálenosti přibližně 8,5 kilometru od středu. O něco dál, zhruba mezi 10 a 12 kilometry, se však nachází oblast, v níž se dramaticky mění geometrie časoprostoru. Vzniká zde horizont událostí – hranice, kterou obvykle spojujeme s černými dírami. Jenže tentokrát není horizont důsledkem toho, že se neutronová hvězda sama zhroutila pod vlastní gravitací. Naopak: hvězda zůstává uvnitř horizontu stabilní.

Zjednodušeně řečeno tedy dostáváme objekt, jehož vnější část se z pohledu geometrie časoprostoru chová jako vnitřek černé díry, zatímco uvnitř této oblasti se stále nachází normálně strukturovaná neutronová hvězda. A především – nikde není potřeba singularita.

Černá díra, která nevznikla kolapsem

Právě tento detail je na modelu nejzajímavější. V běžné představě vzniká černá díra gravitačním kolapsem dostatečně hmotného objektu. Jakmile se hmota stlačí pod určitý kritický poloměr, vytvoří se horizont událostí a kolaps pokračuje dál.

V modelu Tchana a Wanga ale nic takového nenastává. Neutronová hvězda se nezhroutí do černé díry. Horizont vzniká proto, že společné gravitační pole neutronové hvězdy a hustého hala temné hmoty zakřiví časoprostor takovým způsobem, že se vytvoří oblast s vlastnostmi černé díry.

Temná hmota přitom není jen drobným přídavkem. V popsaném modelu její celkový příspěvek k hmotnosti dosahuje přibližně stejné hodnoty jako hmotnost samotné neutronové hvězdy. Na vzniku horizontu se tedy významně podílejí obě komponenty. Výsledkem je pozoruhodná konfigurace: objekt má horizont událostí, ale jeho nitro může obsahovat skutečnou, konečnou a stabilní hvězdnou strukturu.

Co se skrývá za horizontem?

V tomto konkrétním matematickém řešení je odpověď na otázku „Co se skrývá za horizontem událostí?“ překvapivě konkrétní: uvnitř může existovat neutronová hvězda. Nejde samozřejmě o objev skutečné hvězdy ukryté v černé díře, ale o teoretické řešení rovnic, které ukazuje, že taková konfigurace je matematicky možná. Autoři navíc dospěli k podobnému výsledku při použití dvou různých popisů hmoty neutronových hvězd.

Zásadní problém nicméně představuje hustota temné hmoty potřebná k vytvoření takového objektu. Je mnohem vyšší než hodnoty, které astronomové očekávají v reálném vesmíru, takže není jasné, zda by taková konfigurace vůbec mohla přirozeně vzniknout.

Jde proto především o teoretický experiment, který ukazuje, že nitro černé díry nemusí nutně končit singularitou. Za určitých podmínek by se za horizontem událostí mohla skrývat i skutečná, stabilní neutronová hvězda.

Singularita možná není nevyhnutelná

Singularita je v současné fyzice do značné míry signálem, že jsme narazili na hranici platnosti našich teorií. Obecná relativita dokáže mimořádně přesně popisovat gravitační jevy, ale v podmínkách, jaké podle klasického modelu panují v centru černé díry, vede k nekonečným hodnotám. Fyzikové proto očekávají, že skutečný popis by jednou měla poskytnout teorie kvantové gravitace.

Práce Tchana a Wanga k vyřešení tohoto problému samozřejmě nestačí. Nabízí ale zajímavou alternativu: možná existují černé díry, jejichž vnitřní strukturou není singularita, ale skutečná fyzická oblast s hmotou.

V jejich konkrétním modelu se dokonce může jednat o neutronovou hvězdu, která dál existuje uvnitř horizontu událostí, aniž by byla rozdrcena do nekonečně hustého bodu.

Zůstává ovšem otázka, která provází prakticky všechny podobné úvahy o černých dírách: jak bychom něco takového mohli pozorovat? Pokud objekt skutečně ukrývá horizont událostí, nemůžeme jednoduše nahlédnout dovnitř a ověřit jeho strukturu.

A protože podmínky potřebné k vytvoření takového objektu jsou podle současných představ o temné hmotě extrémní, není jisté, zda podobné objekty vůbec někde ve vesmíru vznikají.

Zatím tedy nejde o nový typ kosmického tělesa, který bychom mohli přidat do astronomických katalogů. Jde především o pozoruhodnou matematickou možnost. Ukazuje však něco podstatného: horizont událostí nemusí nutně znamenat, že uvnitř čeká singularita a konec smysluplné fyziky. Za určitých podmínek by se za touto hranicí mohl skrývat celý kompaktní objekt – a v tomto případě dokonce hvězda.