Proč černé díry rotují? Odpověď ukrývá moment hybnosti, který přežívá i kolaps hvězdy

Mezi nejvýraznější rysy naší planety, pokud bychom ji sledovali zvenčí, patří její rotace. Země se otáčí, a právě tento pohyb určuje délku dne – základní rytmus života na našem světě. Rotuje také Měsíc, stejně jako zbylé planety a jejich průvodci, ale rovněž Slunce a všechny další hvězdy. Dokonce i galaxie se otáčejí: Například stálice Mléčné dráhy obíhají kolem jejího středu s periodou milionů let. Kosmicky vzato se tedy zdá, že se točí všechno.

V případě černých děr ovšem uvedený prostý fakt nabývá až bizarních rozměrů. U nich patří rotace k nejdůležitějším rysům: Ovlivňuje totiž způsob, jakým pohlcují hmotu, i to, jak dokážou formovat samotnou strukturu galaxií.

Tajemství momentu hybnosti

Klíč k pochopení rotujících černých děr představuje moment hybnosti. Jedná se o příbuzného lineární hybnosti, kterou známe z každodenní zkušenosti, pouze se týká rotujících objektů. Nejjednodušeji si ho lze představit jako setrvačnost v otáčení – neboli jak obtížné je točící se těleso zastavit. Čím rychleji a čím hmotnější objekt rotuje, tím větší má setrvačnost a tím těžší je jeho otáčení zpomalit.

Moment hybnosti se navíc zachovává, a jestliže tedy na rotující těleso nepůsobí žádná vnější síla, bude se točit věčně. Pokud se ho pokusíme zpomalit či zrychlit, přenese se část momentu hybnosti mezi ním a námi tak, aby celkový součet zůstal zachován. Na momentu hybnosti se podílí rychlost otáčení, hmotnost a velikost objektu. Známý příklad nabízejí krasobruslaři: Roztáhnou ruce, aby se roztočili, a když pak připaží, jejich rotace se dramaticky zrychlí. Jde o projev zákona zachování momentu hybnosti.

Od hvězdy k černé díře

Uvedené platí obdobně pro hvězdy. Ty balancují na hranici mezi explozí v důsledku tlaku záření a zhroucením dovnitř vlivem gravitace. Jakmile však masivní stálice vyčerpá své palivo, popsaná rovnováha se naruší a jádro zkolabuje. Následný gigantický výbuch v podobě supernovy odhodí vnější vrstvy hvězdy, samotné jádro se přitom smrští a jeho rotace se zrychlí.

Pokud jeho hmotnost přesahuje trojnásobek hmotnosti Slunce, zhroutí se jádro o průměru desetitisíců kilometrů do černé díry o velikosti zhruba pouhých deseti kilometrů – a ta pak může rotovat až milionkrát rychleji než původní hvězda, klidně i s periodou sto otáček za sekundu. Přestože stálice zanikne, moment hybnosti se zachová. Proto představuje rotace černých děr zásadní parametr.

Tři rysy černých děr

Černou díru lze definovat třemi faktory: hmotností, momentem hybnosti a elektrickým nábojem. Poslední zmíněný je ve skutečnosti téměř vždy nulový, takže klíčové zůstávají první dva. Odtud plyne, že většina černých děr rotuje velmi rychle. Ačkoliv nemají pevný povrch, který by se mohl fyzicky otáčet, v souladu se zákonem zachování hybnosti musí rotace přetrvat. Uvedené platí jak pro hvězdné černé díry, tak pro ty supermasivní v centrech galaxií. A v některých případech se podařilo danou rotaci dokonce změřit.

Moment hybnosti černé díry nezmizí, ale může narůstat: Hmota „padající“ dovnitř přidává ke stávající rotaci svůj drobný příspěvek. Existuje však teoretický limit, kdy se černá díra otáčí rychlostí světla. I když jde o složitý matematický koncept, některé případy se tomu blíží. Kupříkladu u supermasivní černé díry v jádru galaxie NGC 1365 se podařilo změřit rotaci téměř v uvedeném limitu. Vědci k tomu využívají pozorování světla vyzářeného těsně před pádem hmoty pod horizont událostí.

Časoprostor jako med

Podle obecné teorie relativity Alberta Einsteina představuje časoprostor látku, kterou mohou hmotné objekty deformovat. Rotující hmota navíc tento „koberec“ strhává s sebou: Hovoříme o tzv. Lenseově–Thirringově efektu, častěji zmiňovaném jako strhávání časoprostoru. Nejsilnější je přitom těsně u horizontu událostí a s rostoucí vzdáleností slábne. Přirovnání k mixéru v míse s medem je přesné – med u metliček se točí s nimi, ale o pár centimetrů dál už téměř stojí.

Popsaný relativistický jev zásadně ovlivňuje hmotu těsně u černé díry. Materiál je vtahován rotujícím časoprostorem, zrychluje a čerpá energii z rotace černé díry. Vzniká tak silné magnetické pole, jehož linie vytvářejí dvojici vírů připomínajících tornáda. Uvedené struktury dokážou urychlit částice a vyvrhnout je pryč rychlostí blízkou světlu. Zmíněné paprsky se nazývají výtrysky neboli jety a u supermasivních černých děr mohou dosahovat délky statisíců světelných let.

Jaký mají původ?

Stále nevíme, jak přesně supermasivní černé díry vznikají. Mohou vzejít ze spojení mnoha menších černých děr a také růst postupným pohlcováním hmoty z formující se galaxie. Různé scénáře budou ovšem zanechávat v rotaci výsledného objektu odlišný „podpis“, přičemž astronomové doufají, že díky Vesmírnému dalekohledu Jamese Webba zvládnou měřit otáčení mladých supermasivních černých děr.

Jisté je, že se supermasivní černá díra vyvíjí spolu s mateřskou galaxií. Když gigantický oblak plynu zkolabuje a odstartuje hvězdotvorbu, existuje už v jeho středu obrovská otáčející se černá díra. Její případné výtrysky pak prorážejí okolní plyn, a dokonce ho mohou odmrštit pryč. Tímto způsobem ovlivňuje černá díra rychlost formování stálic, a tudíž i velikost a strukturu galaxie. Také v srdci Mléčné dráhy jedna sídlí a dost možná jí vděčíme za svou existenci – což samo o sobě znamená dostatečný důvod ke studiu zmíněných gigantů.