Černý prstenec v 5D prostoru,. Kredit: Pau Figueras, Markus Kunesch & Saran Tunyasuvunakool.

Představte si černou díru, která má tvar vychrtlého prstence. V našem 3D vesmíru takové černé prstence nefungují, v prostoru o pěti nebo více rozměrech už ale mohou existovat. A takové provokativně prstencové černé díry prý mohou zbořit Einsteinovu obecnou relativitu. Doktorand z Cambridge Saran Tunyasuvunakool a jeho kolegové si právě takové prstencové a hodně úzké černé díry v pětirozměrném prostoru pořádně nasimulovali a sledovali, co se bude dít. Vychrtlé prstence se vyvinuly do série vypouklin spojených velmi tenkými oblastmi černé díry, jako černé perly na černé niti, ze kterých se nakonec stala skupina navzájem oddělených černých miniděr. Jako když se ze slábnoucího proudu vodu stanou jednotlivé kapky.

Saran Tunyasuvunakool. Kredit: Cambridge University.

Zní to jako psychedelický zážitek z testování nového halucinogenu, teoretičtí fyzici už ale znají takové černé prstence od roku 2002. Tunyasuvunakool a spol. teď vůbec poprvé na superpočítačích úspěšně simulovali jejich dynamiku a napsali o tom do časopisu Physical Review Letters. Když by ale prstencová černá díra vznikla, tak by se měla objevit takzvaná nahá singularita (naked singularity), tedy dost skandální záležitost. Gravitační singularita je bod s nekonečně intenzivním gravitačním polem, kde nefungují nám známé zákony časoprostoru. A nahá singularita, to je skandální gravitační singularita bez horizontu událostí. Jednoduše řečeno, nahé singularity lze pozorovat z okolního vesmíru.

Superpočítač COSMOS. Kredit: Cambridge University.

Opět to zní velmi extravagantně, ale nahé singularity jsou velmi důležité, alespoň teoreticky. Pokud by existovaly, tak to znamená, že lze pozorovat zhroucení objektu do nekonečné hustoty. Relativističtí fyzici mají s nahými singularitami velmi napjaté vztahy, protože zásadně ohrožují obecnou relativitu. Jde o to, že obecná relativita nedokáže předpovědět budoucí vývoj časoprostoru v blízkosti nahé singularity. Což je nanejvýš stresující. Klasické černé díry tenhle problém nemají, protože skrz horizont událostí není vidět a vnější pozorovatel tudíž nemůže sledovat, co se děje s časoprostorem uvnitř černé díry.

Jak říká Tunyasuvunakoolův kolega z Cambridge Markus Kunesch, dokud zůstává nahá singularita ukrytá za horizontem událostí, tak nedělá problémy a obecná relativita se drží principu kosmické cenzury, podle něhož nemohou být ve vesmíru nahé singularity. Dokud podle Kunesche platí kosmická cenzura, tak je možné předpovídat budoucí vývoj časoprostoru kolem černých děr, tedy mimo horizonty událostí. Teoretičtí fyzici si ale pohrávají s možností, že by nahé singularity mohly existovat v časoprostoru, který by měl více dimenzí, než ten náš.

Aplikovaná matematika a teoretická fyzika, Cambridge.

Tunyasuvunakool tvrdí, že kdyby nahé singularity doopravdy existovaly, tak to rozboří obecnou relativitu. A když padne obecná relativita, tak se prý rozsype prakticky celá fyzika, protože obecná relativita je dnes základním kamenem našeho vysvětlení vesmíru. Einsteinova obecná relativita se přitom sama o sobě nevyjadřuje k počtu dimenzí ve vesmíru. Teoretičtí fyzici se teď snaží zjistit, jestli obecná relativita v časoprostoru o více dimenzích dodržuje princip kosmického cenzury anebo ne.

Tunyasuvunakool a spol. využili služeb britského národního kosmologického superpočítače COSMOS, s jehož pomocí byli schopni simulovat fungování obecné relativity ve vícerozměrném prostoru. Simulace je přesvědčily, že černé prstence jsou nestabilní. V simulacích ve většině případů došlo ke kolapsu černých prstenců zpět do podoby sférické černé díry, která zůstává zahalená horizontem událostí. Velmi vychrtlé černé prstence ale mohou být natolik nestabilní, že se rozpadnou na sérii černých miniděr a vytvoří nahou singularitu. 

Jestliže ale kosmická cenzura nefunguje ve vícerozměrném časoprostoru, tak je otázkou, co je na čtyřrozměrném časoprostoru tak zvláštního, že tady kosmická cenzura platí. Anebo že by ani tady kosmická cenzura tak úplně neplatila? Je to stále ještě otevřené. Leccos by mohla vyjasnit kvantová gravitace, na kterou ostatně toužebně čeká celá fyzika jako na definitivní smíření obecné relativity s kvantovou mechanikou. Právě kvantová gravitace by mohla zatočit s gravitačními singularitami a s těmi jejich nechutnými nekonečny. Snad se to konečně povede. 

Video:  5D black hole


Literatura
University of Cambridge 19. 2. 2016, Physical Review Letters 116: 071102, Wikipedia (Naked singularity, Cosmic censorship hypothesis).