Simulace gravitačních vln, které vytvářejí dvě srážející se černé díry. Barevné obrysy kolem každé černé díry představují amplitudu gravitačního záření; modré čáry představují oběžné dráhy černých děr a zelené šipky označují jejich rotaci. Kredit: NASA/Ames Research Center/C. Henze, volné dílo

Temná, výsostně dominantní složka vesmíru tak, jak ho chápeme na základě pozorování i složitých matematicko-fyzikálních modelů, nám již desetiletí pokládá provokativně jednoduché základní otázky, na nichž vědci doposud hledají konsenzuální odpovědi. Nejde jenom o temnou hmotu a temnou energii, složité rébusy ukrývají i extrémní časoprostorové anomálie, jež pohlcují vše, včetně světla – černé díry. Co se děje pod jejich horizonty událostí? „Singularita v centru černé díry je nejzazší zemí nikoho: místem, kde je hmota stlačena do nekonečně malého bodu a kde se zcela hroutí všechny představy o čase a prostoru. A ve skutečnosti neexistuje.

Pohled na jeden ze dvou detektorů zmodernizovaného interferometru LIGO (Advanced aLIGO). Každé rameno má délku 4 km. Na obrázku je zařízení ve státě Washington, další identické se nachází v Louisianě. Kredit: Caltech.

Něčím musíme singularitu nahradit, ale nejsme si přesně jisti čím", uvedl loni pro server Space.com americký astrofyzik Paul Sutter (zde). Ve videu Co je Planckova hvězda? (zde) vysvětluje problém singularity z pohledu kvantové fyziky, v nichž Plankovy konstanty vylučují hodnoty „nekonečně“ malé.

Poznámka: Doporučujeme výbornou přednášku prof. Kulhánka o černých dírách, vhodnou i pro neastronomy (zde nebo pod článkem).

První autor studie, prof. Oscar Dias z výzkumného centra teoretické astrofyziky Univerzity v Southamptonu Kredit: University of Southampton

Nejedna ze zářících hvězd v okolním vesmíru „žije“ v gravitačně spjatém partnerství s jinou hvězdou, krouží navzájem kolem sebe, fyzikálně přesněji obíhají kolem společného těžiště – barycentra a tvoří tak binární soustavu. Takové dvojhvězdy jsou zcela běžné, jenom v prostoru do vzdálenosti asi 3 000 světelných let od Země jich astronomové zejména pomocí kosmické sondy Gaia odhalili kolem 1,3 milionu. I když nebyl důvod takové soužití upírat i „menším“ černým dírám hvězdných hmotností, neodhalili jsme je. Průlom přinesl projekt LIGO – Laserová interferometrická observatoř gravitačních vln. V záři 2015, krátce po velké modernizaci interferometru (aLIGO) se při prvním testovacím měření, které probíhalo ve spolupráci s evropským interferometrem Virgo, podařilo po prvé přímo detekovat gravitační vlny. Analýzy potvrdily, že zaznamenané kratičké nepatrné rozvlnění časoprostoru způsobilo přibližně 1,4 miliard světelných let vzdálené splynutí dvou černých děr o hmotnosti přibližně 30 a 35násobku našeho Slunce.

Umělecky znázorněná představa dvou k sobě konvergujících černých děr podobných těm, jejichž srážku detekoval interferometr aLIGO v roce 2015. Kredit: Aurore Simonnet/Caltech MIT Advanced aLIGO/Sonoma State University

První úspěch zdaleka nebyl tím posledním. Přesto, že monitoring gravitačních vln probíhá jen v určitých časových etapách, byly zaznamenány již desítky srážek nejen černých děr, ale i neutronových hvězd nebo dvojic černá díra-neutronová hvězda. Jde o gigantické události, které astronomové mohou registrovat i pomocí vysokoenergetických záblesků záření a ty pak přiřadit k příslušným jemným deformacím časoprostorové pavučiny, pokud právě probíhala měření gravitačních vln. To umožňuje mnohem lépe identifikovat zdroj. (Přehledný katalog například zde).

Zmodernizovaný evropský detektor gravitačních vln Virgo s rameny o délce 3 km se nachází u města Pisa v Itálii. Kredit: The Virgo collaboration, CC0

Je srážka dvou gravitačně vzájemně vázaných černých děr jejich nevyhnutelným osudem? Většina astronomů by odpověděla "ano", protože pohybem hmotných temných monster vytvářené gravitační vlny odnášejí s sebou energii, a tím snižují jejich moment hybnosti. Dvojice je tím nucena se k sobě po spirále blížit až ke splynutí v jednu osamocenou černou díru.

V statickém vesmíru z tohoto scénáře není úniku. Jenže ten náš se rozpíná, a jak se zjistilo, stále rychleji, což si vyžádalo zavedení temné energie, která nyní tvoří asi 68 % součtu veškeré hmoty a energie universa. Ve studii publikované v časopisu Physical Review Letters britsko-španělský čtyřlístek teoretických fyziků a astrofyziků dokazuje, že toto akcelerované rozpínání prostoru může uchránit binární systém černých děr před jeho zánikem, když přesně kompenzuje ztrátu hybnosti a bráni tím postupnému přibližování se obou temných monster k sobě. Vědci zatím modelovali zjednodušenou situaci binárního systému nerotujících černých děr. Zjednodušeně lze tedy jejich závěry shrnout do věty: V soustavě dvou nerotujících černých děr, které obíhají kolem společného barycentra může rozpínání časoprostoru právě kompenzovat nárůst přitažlivých sil, čímž vznikne rovnovážný stav chránící obě hmotná tělesa před spirálou končící ve vzájemném splynutí.

První autor studie, profesor Óscar Dias z Univerzity ve Southamptonu o takovém binárním systému tvrdí: "Při pohledu z dálky by dvojice černých děr, jejichž gravitační přitažlivost je kompenzována rozpínáním vesmíru, vypadala jako jedna černá díra. Může tedy být obtížné určit, zda se jedná o jeden nebo dva objekty."

Další z autorů, Jorge Santos z britské Univerzity v Cambridge v Anglii dodává: "Naše teorie je dokázána pro dvojici statických černých děr, ale věříme, že by mohla být aplikována i na rotující černé díry. A je pravděpodobné, že naše řešení by mohlo platit také pro systémy tří nebo dokonce čtyř černých děr, což otevírá celou řadu možností."

Video: Krátká simulace splynutí dvou černých děr. Kredit: LIGO Lab Caltech : MIT

Literatura

Space.com, Physical Review Letters (volně dostupný článek)

Doporučené video: Díra sem,díra tam