Jak asi bude vypadat Sagittarius A* pohledem Event Horizon Telescope? Simulace z roku 2010. Kredit: Dexter et al. (2010).

Einsteinova obecná teorie relativity se bez vážnější újmy na zdraví dožívá úctyhodných 100 let. Její platnost zatím potvrzují všechny experimenty uskutečněné s nejcitlivějšími detektory v gravitačním poli Země. Potvrdili ji dokonce i v mnohem silnějším gravitačním poli systému dvou obíhajících pulzarů. Případné neduhy obecné relativity jsou tak jenom koncepčního rázu.

Potíže obecné relativity

Největší problém dotýkající se obecné relativity je vlastně její nesoulad s kvantovou teorií. Dosavadní pokusy kvantovat gravitační pole a nalézt tak cestu ke sjednocené teorii všeho zatím vyzněly do ztracena. Sjednocená teorie přitom hraje zásadní roli v popisu nejranějších fází vývoje vesmíru. Trpkým koncepčním problémem jsou i singularity ukryté v nitrech černých děr, kde obecná relativita předpovídá těžko uvěřitelné nekonečné hodnoty křivosti prostoročasu i dalších veličin. Obecná relativita předpovídá pro konečnou fázi gravitačního kolapsu hmoty jediné možné černoděrové řešení Einsteinových rovnic, v němž je prostoročasové geometrie zcela popsaná hmotností černé díry, spinem určujícím rychlost její rotace a jejím astrofyzikálně nepříliš realistickým elektrickým nábojem. Všechny ostatní vlastnosti hmoty i polí, z nichžž černá díra vznikla, jsou skryty pod horizontem událostí, jako za neproniknutelným závěsem. Poetický výrok astrofyzika Johna Archibalda Wheelera, který je také autorem samotného pojmu „černá díra“, o tom říká, že „černá díra nemá vlasy“. 

Geometrie prostoročasu kolem rotující a nenabité černé díry byla poprvé popsána novozélandským matematikem Royem Kerrem, a proto se také nazývá Kerrova geometrie. Pokud by se nám povedlo pozorovat reálnou geometrii prostoročasu v okolí černých děr, která by se lišila od Kerrova popisu, tak by to bylo na hlubokou revizi relativistické fyziky a snad i vývoj směrem k nové alternativní teorii (možná i kvantové) gravitace. Kandidátů na nástupce obecné relativity stojí ve frontě celá řada, například různé varianty hypotézy hyperprostorových bránových světů inspirované vícerozměrnou Kaluzovou-Kleinovou relativitou a superstrunovými teoriemi, skalárně-tenzorové teorie předpovídající černé díry přece jenom s vlasy, kvantová Hořavova gravitace pracující s anizotropií času a prostoru při vysokých energiích nebo relativistická verze modifikované Newtonovy dynamiky (MOND).

Hotové nebo budované teleskopy sítě Event Horizon Telescope. Kredit: EHT.

Pozorování stínu supermasivní černé díry

Přestože nemůžeme nahlédnout přímo do nitra černých děr, leccos nám o nich může napovědět okolní prostoročas. Černé díry se vzdáleným pozorovatelům promítají na hvězdném pozadí jako temné stíny, kvůli extrémnímu zakřivení světelných paprsků drtivou gravitací. Pozorování stínů černých děr je ale velice obtížné. Nejbližší známé černé díry jsou vzdálené tisíce světelných let daleko a nejsou přitom větší než několik desítek kilometrů.

Zajímavou výjimkou je supermasivní díra sedící v samotném středu Mléčné dráhy, označovaná jako Sagittarius A*. Ta nevznikla gravitačním zhroucením jedné hvězdy, ale mnoha milionů hvězd, anebo vznikla ještě dříve, než se hvězdy vůbec začaly rodit. Hmotnost tohoto monstra se odhaduje na 4 miliony Sluncí. Schwarzschildův poloměr této černé díry je asi 12 milionů km, tedy zhruba 17násobek poloměru Slunce. Vzhledem k vzdálenosti kolem 26 tisíc světelných let je ale její úhlový rozměr velmi nepatrný, jen několik desítek miliontin obloukové vteřiny.

Zařízení Gravity na teleskopech VLT. Kredit: ESO.

Gravity a Event Horizon Telescope

Přesto je už i takový objekt na hranici možností pozemských technologií. Mohly by to zvládnout pozemské detektory při využití velmi citlivé techniky interferometrie, kdy se skládá signál z více detektorů současně. Právě budování takovýchto propojených sítí detektorů nyní zaměstnává astronomy celého světa, kteří by rádi zachytily stín černé díry ve středu Mléčné dráhy. Projekt Evropské jižní observatoře (ESO), nazvaný výstižně Gravity, využije nejcitlivějších detektorů zabudovaných do dalekohledů soustavy Very Large Telescope (VLT) na hoře Paranal v Chile. Díky tomuto experimentu bude možné studovat hmotu v bezprostřední blízkosti černé díry. Nová data by nám měla objasnit původ záblesků v blízké infračervené oblasti, které byly v minulosti již několikrát pozorovány.

Ještě ambicióznějším projektem je Event Horizon Telescope (EHT). Opět nejde jen o jeden dalekohled, ale o celosvětovou síť antén, do které se postupně zapojí stanice s dalekohledy ve Spojených státech, na Havaji, v Chile, v Evropě i na jižním pólu na Antarktidě. Citlivé detektory budou analyzovat záření přicházející na vlnových délkách kratších než milimetr, tedy v submilimetrové oblasti. Jak název projektu napovídá, jeho cílem je studium horizontu událostí, tedy samotné hranice černé díry. S jeho pomocí bude možné studovat stíny, které černé díry vytvářejí na pozadí záření hmoty, jež do nich padá.

Samotné stíny černých děr ale nejsou tak zajímavé jako jejich okraje, které jsou formovány paprsky unikajícími z těsné blízkosti černých děr, kde silná gravitace dočasně zachycuje fotony na sférických orbitách. Unikající paprsky jsou na své komplikované pouti z hloubky gravitačního pole až ke vzdálenému pozorovateli ohýbány zakřivením prostoročasu a strhávány jeho rotací. Siluety černých děr jsou proto charakteristickými otisky prostoročasové geometrie a jejich tvar výrazně závisí nejen na rotaci černé díry, ale i na poloze vzdáleného pozorovatele vůči černoděrové ose rotace.

Pavel Bakala. Kredit: FPF SLU.

Exotické stíny v prostoročasu

Oblíbenou alternativou relativistické kosmologie je model bránového světa Lisy Randallové a Ramana Sundruma založený na představě našeho vesmíru jako brány, třídimenzionální membrány plující pětirozměrným hyperprostorem. V bránovém světě mohou mít brány náboj. Kladným i záporným bránovým nábojům odpovídají specifické „bránové“ deformace černoděrových prostoročasů a následně i siluet černých děr. Existují také radikálnější teorie, které nahrazují samotné černé díry jinými, ještě o něco podivnějšími kosmickými monstry. Například některé verze superstrunových teorií umožňují existenci superspinarů, které rotují rychleji než extrémní černé díry s horizontem událostí rotujícím rychlostí světla. Exotické superspinary by se prozradily neméně exotickými optickými efekty

Nakolik se můžeme těšit na exotické objevy u černých děr, ukáže až čas. Jemné geometrické detaily stínů i siluet je bohužel opticky rozmazáváno a znečišťováno intenzivním zářením plynu a prachu v těsném okolí černých děr i v okolním vesmíru. Supermasivní černá díra v centru Mléčné dráhy je ale v porovnání s aktivními galaktickými jádry docela klidná. Pokud Event Horizon Telescope získá dostatečnou úhlovou rozlišovací schopnost, bude možné stín i siluetu černé díry v záření okolních struktur dobře rozlišit. V případě úspěchu budeme mít příležitost nejenom testovat předpovědi obecné relativity a jejích alternativ, ale i poprvé spatřit skutečně silné zakřivení prostoročasu (téměř) na vlastní oči.

Redakčně zkráceno. Podobný článek vyšel v časopisu Vesmír 2015/11.