Na vlnách podivna: Nobelova cena za fyziku patří důkazu existence černých děr

Letošní Nobelovu cenu za fyziku získala za důkaz existence černých děr trojice vědců včetně slavného fyzika Rogera Penrose. Mezi oceněnými je i jedna žena, teprve počtvrté za celou dobu udělování ceny v této kategorii. Penrose, který dnes působí na Oxfordské univerzitě, svými výpočty v polovině 60. let ukázal, že existence černých děr je přímým důsledkem Einsteinovy obecné teorie relativity, teorie gravitace. Sám Einstein, který zemřel v roce 1955, tedy deset let před Penroseovou prací, přitom v existenci těchto objektů uvěřit odmítal. Královská švédská akademie věd, která cenu uděluje, označila Penroseovu publikaci za „nejdůležitější příspěvek k obecné teorii relativity od Einsteinovy smrti“. Zatímco Penrose získal polovinu ceny, o druhou se dělí americká astrofyzička Andrea Ghez a Němec Reinhard Genzel. Pozorováním pohybů hvězd v jádru naší galaxie pomohla dvojice v 90. letech dokázat, že masivní černá díra existuje i v centru Mléčné dráhy. U příležitosti vyhlášení ceny odemykáme článek o tom, jak se vědcům nedávno podařilo existenci černé díry v jádru jedné z galaxií nejen vypočítat, ale také záhadný objekt přímo pozorovat. (mu)

Pokud žijete na vesnici, vyrazte do polí, daleko od jakéhokoli osvětlení. Jste-li ve větším městě, nasedněte do nejbližšího dopravního prostředku a vyjeďte na samotu. Když se setmí, vypněte všechny svítící obrazovky mobilních přístrojů a uprostřed svěží jarní noci upřete pohled na hvězdnou oblohu. Uvidíte, že nebeskou klenbu brázdí světlý pás – Mléčná dráha. Když na tento jev na začátku 17. století Galileo Galilei poprvé upřel svůj podomácku vyrobený dalekohled, zjistil, že se světlý pás skládá z nesmírného množství vzdálených hvězd.

Další generace badatelů zdokonalovaly a zvětšovaly své dalekohledy a měnily techniky pozorování. Postupně začalo být jasné, že se nacházíme v nitru gigantického zploštělého oblaku hvězd, dnes nazývaného galaxie, a pás Mléčné dráhy je prostě jen důsledek našeho pohledu zevnitř. Zároveň ale byly objeveny zvláštní rozmlžené objekty, které do našeho „hlavního“ oblaku zjevně tak docela nepatřily. Immanuel Kant už v 18. století spekuloval, že se jedná o „ostrovní vesmíry“ obdobné jako naše Mléčná dráha. Řečeno moderním jazykem: navrhoval, že mlžné objekty jsou galaxie stejné jako ta naše, což se nakonec definitivně potvrdilo ve 20. století.

Co je ale středem našeho „ostrovního vesmíru“? V cestě k odpovědi na tuto otázku nám dlouho stála poměrně banální překážka – hromada prachu. Vědci měli docela dobrou představu, kde se centrum naší galaxie nachází, ale skrze prach jej nemohli normálními optickými dalekohledy pozorovat. Co ale prachem projde, jsou rádiové vlny, elektromagnetické vlny mnohem delších vlnových délek, než dokáže zachytit lidské oko. Při kosmických procesech vznikají velmi často a právě s jejich pomocí jsme v polovině 20. století konečně identifikovali centrum naší galaxie, Mléčné dráhy. Odborně se mu říká Sagittarius A* a můžeme jej nalézt v létě na jihu v souhvězdí Střelce. Konkrétně se nachází poblíž hrotu šípu, který pomyslný hvězdný lučištník vkládá do své zbraně.

Zároveň si astronomové všimli, že jádra mnohých galaxií jsou nesmírně zářivá a často z nich vyvěrají překvapivě tenké a rychlé výtrysky plazmatu – jako by někdo z centra galaxie vysílal daleko do okolního vesmíru tenký kužel světla. Poměrně záhy začalo být jasné, že jeho zdrojem nemohou být obyčejné hvězdy, ale musí jimi být bouřlivé procesy v extrémních gravitačních polích, jaká panují kolem černých děr, objektů vzniklých kolapsem hmoty do jediného bodu. Scénář je takový, že černá díra přitáhne plyn a prach ze svého okolí na zhruba kruhovou orbitu. Jak se hmota hromadí, začnou do sebe její vrstvy na různých drahách narážet a zahřívat se, až se velkým horkem přemění na zářivé plazma, ionizovaný plyn. V tomto systému, takzvaném akrečním disku, plazma postupně sestupuje a buď může být nakonec pohlceno černou dírou, nebo přebytkem energie v systému náhle vystřeleno do výtrysku. Mechanismus tohoto „výstřelu“ však zatím nebyl uspokojivě vysvětlen.

Existence černých děr byla předpovězena za pomoci obecné teorie relativity, gravitační teorie Alberta Einsteina, která také popisuje vlastnosti těchto objektů. Svoje jméno získaly díky tomu, že z nich neuniká světlo, spatřit z nich lze jen „stín“, temnou oblast „vykousnutou“ ze světla na jejich pozadí. Uvidět něco takového na vlastní oči se však zatím nikomu nepodařilo – všechny obrázky černých děr, které jsme až do minulého týdne spatřili, pocházely z počítačových simulací nebo z volnějších představ počítačových grafiků. Černé díry tak stále zůstávaly tak trochu v pozici mytických jednorožců, které nikdo nikdy neviděl. I když důkazy o jejich existenci byly už v podstatě nezpochybnitelné, ten finální – přímý pohled na černou díru – scházel. Až donedávna.

Světový snímek

Příkladem galaxie s divokou centrální částí je Messier 87 (M87). Lze ji už na jaře najít v jihovýchodní části noční oblohy poblíž souhvězdí Panny – nad pravou paží pomyslné ženské postavy. Jedná se o jednu z největších galaxií a zároveň jeden z nejsilnějších zdrojů rádiového záření v našem širším kosmickém okolí. Jeho původcem jsou právě podivné výtrysky plazmatu z oblasti jejího galaktického centra. Rámcové odhady hmotnosti černé díry, která by tu měla být, dosahovaly už v sedmdesátých letech minulého století neuvěřitelných několika miliard hmotností našeho Slunce.

Ve středu 10. dubna proběhl světovými médii unikátní snímek – mezinárodnímu vědeckému projektu Event Horizon Telescope (Teleskop horizontu událostí, EHT) se podařilo zrekonstruovat obrázek supermasivní černé díry v M87. Precizně synchronizovaná pozorování se prováděla v roce 2017 pomocí osmi rádiových observatoří rozesetých po několika kontinentech, konečný obraz pak byl digitálně zrekonstruován technikou nazvanou interferometrie. V ideálním případě velmi husté sítě dalekohledů by EHT svým způsobem představoval rádiový teleskop o velikosti celé Země.

Co tedy na „snímku“, který s velkým napětím očekávalo všech více než 200 účastníků projektu z mnoha zemí, vlastně vidíme? Oranžovou barvou je sugestivně vyznačeno rádiové záření pocházející z horkého plazmatu obíhajícího černou díru – je to právě onen do sebe narážející rozžhavený materiál. A uprostřed něj je očekávaná černá tečka, stín černé díry přesně podle předpovědí teorie relativity.

Snímek je sice rozmazaný, ale už teď z něj lze vyvozovat netriviální vědecké závěry. Například z jeho asymetrického tvaru můžeme odhadnout směr rotace černé díry, protože právě otáčení záhadného objektu strhává plazma i světlo v jeho okolí. Světlejší polovina prstence odpovídá té straně černé díry, která rotuje směrem k nám, tmavší polovina straně, co při rotaci směřuje od nás.

Podrobnosti rotace jsou důležité kvůli zmíněným výtryskům plazmatu, oněm tenkým kuželům prýštícím z centra galaxií, o nichž nevíme, jakými mechanismy vlastně vznikají. Na snímku výtrysky přímo nevidíme, jejich nasměrování ale přesně známe z jiných pozorování. Existuje přitom hypotéza, že soustředěné výtrysky plazmatu vznikají podél rotační osy černé díry a svoji nesmírnou rychlost získají „odpichem“ právě od její rotace. Shoduje se rotační osa a paprsek výtrysku, který vidíme vylétat z galaxie Messier 87? Tato otázka bude jistě brzy podrobně prozkoumána.

Prokletí černé perly

Má ale také naše Mléčná dráha svoji černou díru? A proč je naše galaktické jádro na rozdíl třeba od jádra galaxie Messier 87 tak potichu? Na konci devadesátých let minulého století došlo k pozorování hvězd prolétajících velmi blízko okolo Sagittaria A* a zakřivení hvězdných drah stvrdilo naše podezření: Uprostřed Mléčné dráhy máme hmotu zhruba čtyř milionů Sluncí stlačenou do nesmírně malého, relativně nezářivého objektu. Tedy i Mléčná dráha má zřejmě svoji skrytou perlu, centrální černou díru. Další průlet těchto hvězd nastal minulý rok a v druhé instanci tento verdikt potvrdil, a dokonce zpřesnil.

Projekt EHT se v roce 2017 snažil „vyfotografovat“ nejen obra v srdci M87, ale i černou díru v Sagittariovi A*. Protože je však černá díra v srdci Mléčné dráhy tisíckrát lehčí a menší, obíhá kolem ní plazma na mnohem kratší dráze. Když si nakonec vše srovnáte, dopočtete, že zatímco plazma v M87 oběhne černou díru maximálně tak jednou za rok, v Sagittariovi A* černou díru oběhne třeba jednou za pár hodin. Malé nerovnosti v plazmatu a jeho záření pak mohou způsobit, že obraz černé díry v naší galaxii vypadá hodinu od hodiny trochu jinak.

Observatoře sítě EHT však digitálně syntetizují pozorování z několika desítek hodin, a proto je zřejmě obtížné neudělat při digitální rekonstrukci chybu. Vědci pro jistotu nechávají obrázky černých děr nezávisle rekonstruovat čtyřmi špičkovými týmy a ke zveřejnění přistoupí, až když týmy dospějí ke shodnému výsledku. V případě Sagittaria A* k takové shodě asi zatím bohužel nedošlo. Budeme si proto muset počkat, jestli nová pozorování, která EHT provádí každý rok s větší a větší sítí teleskopů, jasný obrázek černé díry v centru naší galaxie nakonec přece jen nepřinesou.

Velké výhledy

Středeční tiskovou konferencí EHT vše zkrátka teprve začíná. Interferometrickou technikou lze z povrchu Země zobrazit sice jen zmíněné dvě černé díry (další jsou moc malé nebo moc daleko), zato je můžeme prostudovat důkladně. „Je to trochu jako s hvězdami a Sluncem. Slunce je jediná hvězda v našem blízkém okolí, ale jejím detailním studiem jsme pochopili vlastnosti všech hvězd v celém vesmíru,“ přiblížila postup teoretická fyzička Asimina Arvanitaki během diskuse o výsledcích projektu ve svém domovském institutu Perimeter v Kanadě.

„Supermasivní černé díry kontrolují vývoj celých svých galaxií. Jako by objekt velikosti hroznu určoval vývoj objektu o velikosti Země. Rád bych tento proces i pomocí pozorování EHT objasnil,“ přidal pak astrofyzik Brian McNamara z nedaleké Univerzity ve Waterloo v Ontariu. Narážel tak na skutečnost, že výtrysky plazmatu z okolí černých děr zřejmě mění „ovzduší“ galaxií tak, že se v nich přestávají rodit hvězdy. Zásadním způsobem tak určují vývoj galaxií napříč vesmírnými epochami.

I proto by bylo skvělé, kdyby se podařilo do jejich tajemství více proniknout. „Za jeden z nejdůležitějších vědeckých cílů EHT považuji do budoucna objasnění vzniku relativistických výtrysků z galaktických center. Jedná se o jednu z velkých záhad v našem vesmíru,“ doplňuje Jiří Svoboda z Astronomického ústavu Akademie věd ČR. Výtrysk může mít původ ve skutečnosti, že akreční disk a magnetická pole kolem černé díry mohou čerpat energii a hmotu z její rotace. Mohli bychom pak jednoduše odpovědět na otázku, proč jsou některá centra galaxií „potichu“ a jiná zas nahlas – prostě se jejich centrální černá díra buď točí, nebo netočí!

Už dosavadní pozorování EHT každopádně představují jeden z triumfů lidské civilizace. Koordinace týmů napříč kontinenty, klimaty, jazyky i politickými systémy dotáhla ke zdaru téměř nemyslitelné. Zároveň ji lze chápat jako symbolický milník v historii vědy, kdy nám Země začala být definitivně „příliš malá“. Došli jsme od první skleněné čočky Galilea Galileiho přes stále větší leštěná zrcadla nebo rádiové přijímače o velikosti stovek metrů až k virtuální síti EHT objímající celou planetu. Tím, že se jedná o síť teleskopů po celé Zemi, začínáme ale narážet na samotný limit rozlišení, jakého lze na dané vlnové délce ze zemského povrchu dosáhnout.

S rostoucí sítí se budou pozorování dále zpřesňovat. Ironií osudu je, že obě černé díry může EHT pozorovat jen na jižní obloze, zatímco většina velkých observatoří je na severní polokouli – v Evropě a Severní Americe. Čekáme tak například na teleskopy v Africe nebo Indii, které náš pohled na černou díru ještě podstatně „přiostří“. Další pozorovací kampaně se mohou soustředit na jiné objekty než černé díry a na jiné vlnové délky – čím kratší vlnová délka, tím lepšího maximálního rozlišení lze dosáhnout.

Nakonec interferometrické sítě jistě přetečou přes hranice naší malé planety a přibudou i vesmírné teleskopy. V kombinaci s pozorováním neutrin a gravitačních vln nám nabídnou další cestu, jak pronikat stále hlouběji do podstaty přírodních procesů ve vesmíru.

Autor je teoretický fyzik.