Cesta k černým dírám skoro dvě stě let probíhala výhradně ve výpočtech, teprve v posledních desetiletích i díky kosmonautice přibyla měření a pozorování – a nakonec i přijatelné důkazy.

Právě před sto lety Karl Schwarzschild matematicky odvodil možnost existence gravitační singularity.

1783 – Temné hvězdy

Představte si hvězdu, na kterou padá z vesmíru těleso. Podle Galileova zákona volného pádu se jeho rychlost každou sekundu zvyšuje o hodnotu gravitačního zrychlení pro danou hvězdu. A při opouštění hvězdy se těleso ze své počáteční rychlosti o stejnou hodnotu zpomaluje. Což platí i pro světlo. Pokud by se podařilo změřit, jak gravitace hvězd snižuje rychlost světla, které vyzařují, daly by se tím zjistit mnohé jejich vlastnosti…

To je jádro sdělení amatérského fyzika, geologa a astronoma Johna Michella, faráře ze severoanglického Thornhillu, jak je na zasedání Královské londýnské společnosti ve čtvrtek 23. listopadu 1783 čte autorův přítel Henry Cavendish.

V té době se v souladu s Newtonem věřilo, že světlo je tvořeno proudem hmotných tělísek, který se řídí Newtonovými zákony, a vědělo se už, že rychlost světla není nekonečná. (Ole Römer, jenž roku 1676 první změřil rychlost světla, došel k hodnotě asi 220 000 km/s, James Bradley o padesát dva let později – rok po Newtonově smrti – už došel k číslu téměř správnému: 298 000 km/s. Sám Newton ve svých Principiích z roku 1687 počítal s nekonečnou rychlostí světla, v Optics z roku 1704 už ne.)

„Předpokládáme-li, že světlo je přitahováno stejnou silou jako ostatní tělesa, pak všechno světlo vysílané takovým tělesem by se muselo vrátit zpět.“

Otec Michell tedy odvážně, leč zcela v souladu s tehdejšími poznatky zkombinoval korpuskulární teorii světla o konečné rychlosti s Newtonovým gravitačním zákonem a navrhl cosi na způsob distanční spektrální analýzy hvězd (připomeňme, že rozklad světla na spektrum už byl známý, Dopplerův jev a spektrální analýza ještě ne).

To ale není všechno. Podle Michella by při pádu na dostatečně hmotnou hvězdu těleso mohlo překročit rychlost světla… A naopak: „Předpokládáme-li, že světlo je přitahováno stejnou silou jako ostatní tělesa, pak všechno světlo vysílané takovým tělesem by se muselo vrátit zpět.“ Úniková rychlost z hvězdy by tedy byla větší než rychlost světla; veškeré vyzařované světlo by na ni padalo zpátky podobně jako třeba vzhůru vržený kámen na Zemi. Takováto hvězda by tudíž nezářila. Ale i když by tato temná hvězda nebyla přímo vidět, mohla by se prozradit gravitačním působením na pohyb blízkých těles.

Michell vypočítal, že úniková rychlost je úměrná odmocnině hmotnosti hvězdy dělené jejím poloměrem. A uvědomil si, že existuje jakýsi kritický obvod, pro který se úniková rychlost právě rovná rychlosti světla. Pro hvězdu hmotnosti Slunce mu tento obvod vyšel 18,5 kilometru.

Zpráva o možné existenci temných hvězd ve vesmíru vzbudila v Royal Society značný rozruch (ostatně Michell byl jejím letitým členem) a předseda Joseph Banks ji ve svém dopise Benjaminu Franklinovi do Paříže vyzdvihl jako nejzajímavější vědeckou událost podzimu.

V roce 1796 Pierre-Simon Laplace v prvním vydání svého Výkladu systému světa možnost existence temných hvězd zmiňuje (mezitím zemřevšího Michella necituje), stejně tak ve druhém, zatímco ve třetím vydání z roku 1808 tato zmínka chybí (Thomas Young mezitím objevil interferenci světla a převážil mínění od korpuskulární teorie světla k vlnové).

1916 – Schwarzschildovy singularity

Všechny čtyři čtvrteční podvečery listopadu 1915 věnované pravidelným zasedáním Pruské akademie věd v Berlíně ovládl Albert Einstein přednáškami o své nové teorii gravitace (obecné teorii relativity).

Karl Schwarzschild, jeden z nejuznávanějších astrofyziků doby, se jich nemohl osobně zúčastnit, hned na začátku první světové války se z pozice ředitele observatoře v Postupimi přihlásil jako dobrovolník do armády a právě sloužil jako poručík dělostřelectva (balistický expert) na ruské frontě, ale jako člen Pruské Akademie věd dostával její Pojednání.

To poslední mu dorazilo někdy v polovině prosince 1915. Už po týdnu píše Einsteinovi dopis následovaný rukopisem obsahujícím jedno přesné řešení Einsteinových rovnic pole. Tyto rovnice nelze vyřešit obecně, ale pouze pro jednotlivé konkrétní případy.

To Schwarzschildovo se týkalo nejjednoduššího případu – gravitačního pole osamoceného nerotujícího, nenabitého, dokonale kulového a velmi hmotného tělesa ve vakuu. Přitom použil vhodnější polární souřadnice (Einstein tradiční pravoúhlé). Americký astrofyzik Kip Thorne ve své knize Černé díry a zborcený čas (česky 2004) nazval Schwarzschildovy výpočty „elegantní a krásné“.

Schwarzschild své výsledky doprovodil poznámkou k Einsteinovi, že díky nim může jeho teorie relativity „zazářit s ještě větší ryzostí“.

Karl Schwarzschild. Public Domain.

Karl Schwarzschild. Public Domain.

„Nečekal bych, že lze přesné řešení problému zformulovat tak jednoduše,“ odpověděl nadšený Einstein 9. ledna a hned následující čtvrtek 13. ledna 1916 přečetl Schwarzschildův elaborát před Pruskou akademií.

Příspěvek vyvolal ve vědeckých kruzích malou senzaci, a to nejen svojí matematickou úhledností či hlavním obsahem (jímž bylo zpřesnění pohybu Merkurova perihélia), nýbrž jedním z okrajových důsledků řešení – podle něj při dané (dostatečně velké) hmotnosti se zmenšováním tělesa roste křivost blízkého prostoročasu k nekonečnu, takže při určitém poloměru tělesa (dnes se jmenuje Schwarzschildův poloměr) se prostoročas zakřiví tak, že záření směřující z povrchu tělesa neopustí určitý prostor (jeho hranici se dnes říká horizont událostí) a těleso bude vizuálně odříznuto od okolního prostoru.

Tím se pro vnějšího pozorovatele stane neviditelným.

Popsanému zakřivení by podléhal i čas, který by se tu zkrátil na nulu. U hvězdy hmotnosti Slunce by Schwarzschildův poloměr činil asi tři kilometry, u hmotnosti Země asi 1,7 centimetru.

Po několika týdnech Karl Schwarzschild poslal Einsteinovi druhou práci, rovněž přednesenou v Akademii (první pojednávala okolí hvězdy, druhá se týkala jejího vnitřku).

Krátce nato onemocněl nevyléčitelným autoimunitním rozpadem kůže. V březnu se vrací z fronty jako invalida a 11. května 1916 ani ne třiačtyřicetiletý umírá. Jeho smrt oznámil v Akademii sám Einstein, který také držel nad jeho hrobem smuteční řeč.

Závěrem se nabízí malé srovnání: Michella i Schwarzschilda inspirovala teorie gravitace (prvního klasická Newtonova, druhého relativistická Einsteinova), přičemž to z dnešního pohledu nejzajímavější (možnou neviditelnost hvězdy) považovali ve svých pracích za okrajové.

Oba objevy byly prezentovány v nepřítomnosti autorů na zasedání vrcholné vědecké instituce příslušné země, takže nezapadly. Oba autoři došli ke stejnému kritickému poloměru hvězdy hmotnosti Slunce (tři kilometry).

Jsou tu ale i rozdíly: Zatímco mezi zveřejněním Newtonova gravitačního zákona a Michellova důsledku téhož uplynulo 96 let, Einsteina dělilo od Schwarzschilda sedm týdnů. Ale především: Schwarzschildův výsledek už padl na zcela jinou, připravenější, úrodnější půdu.

Takže opravdu „nevstoupíš dvakrát do téže řeky“ – věda jde kupředu a její tempo se zatím zrychluje (i když, pravda, fundamentální objevy docházejí; v tom je období vrcholného „einsteinismu“ se svojí teorií relativity a kvantovou teorií zřejmě navždy nepřekonatelným zlatým věkem).

1935 – Zamrzlé hvězdy

Látkové hustoty potřebné pro existenci temných hvězd jsou tak extrémně vysoké (hmotnost Země v objemu menším než pingpongový míček), že si s nimi astrofyzikové dlouho nevěděli rady. Samotný Einstein ještě v říjnu 1939 publikoval článek, jehož cílem mělo být „jasné pochopení, proč ´Schwarzschildovy singularity´ nemohou existovat ve fyzikální realitě“.

Subrahmanyan Chandrasekhar v pozdějších letech. Zdroj: Harvard University.  http://chandra.harvard.edu/about/chandra.html

Subrahmanyan Chandrasekhar v pozdějších letech. Zdroj: Harvard University.

V něm vypočítal, že hmota se může zhroutit jen do 1,5 Schwarzschildova poloměru, takže singularita se nevytvoří.

Vycházel z toho, že elektronový obal (který tvoří drtivou většinu objemu atomu) lze stlačit jen do určité míry, dále tomu odporují vylučovací zákony kvantové mechaniky (podle nich každý elektron v atomu má svůj minimální, dále neumenšitelný životní prostor). To koneckonců korespondovalo s tehdejšími znalostmi o bílých trpaslících, což jsou jakési mezistupně mezi normální hvězdou a Schwarzschildovou singularitou (první byl identifikován roku 1914 jako souputník nejjasnější hvězdy oblohy Siria a jeho hustota vypočtena na tehdy senzačních 500 kg/cm3).

Přitom už na počátku třicátých let 20. století mladičký astrofyzik, vlastně ještě postgraduální student Subrahmanyan Chandrasekhar, vypočítal, že bílí trpaslíci mohou vznikat jen z menších hvězd, konkrétně pod 1,44 hmotnosti Slunce, MS (Chandrasekharova mez).

Nad hmotnost 1,44 MS gravitace elektrony bránící se stlačení prostě zruší – obrovskou silou je vecpe do jádra, kde se sloučí s protony na neutrony.

Tím zaniknou i prvky a vznikne homogenní „plyn“ těsně namačkaných neutronů – neutronová hvězda.

„Když význačný, avšak postarší vědec konstatuje, že je něco možné, má skoro jistě pravdu. Když konstatuje, že něco je nemožné, velmi pravděpodobně se mýlí.“

A pokud hmotnost této neutronové hvězdy přesáhne zhruba 4 MS, postupující gravitační kolaps semele i napěchované neutrony (v něco, co si dodnes nedovedeme představit) a výsledkem je, ano, Schwarzschildova singularita.

Proti se však postavil guru tehdejší astrofyziky Arthur Eddington, představitel tradiční, konzervativní vědy s averzí vůči extrémům (na téma zamrzlých hvězd, jak se tehdy Schwarzschildovým singularitám říkalo, prohlásil: „Měl by existovat přírodní zákon, jenž by hvězdám zakazoval chovat se takto absurdně!“). Nu, na zasedání Královské astronomické společnosti 11. ledna 1935 v Londýně tento zbožný kvaker s neznámým Indem doslova zametl. Zlomený Chandra odešel do Ameriky, proslavil se tam a posléze dostal Nobelovu cenu. Jeho předpoklady ještě do konce třicátých let potvrdili nezávisle Lev Landau a Robert Oppenheimer.

Jak Einstein, tak Eddington, ač nepochybně výjimeční vědci, nechtěně potvrdili takzvaný první zákon britského scifisty Arthura Clarkeho: „Když význačný, avšak postarší vědec konstatuje, že je něco možné, má skoro jistě pravdu. Když konstatuje, že něco je nemožné, velmi pravděpodobně se mýlí.“

1972 – Černé díry

Nyní se konečně dostáváme od papíru k železu, od teorie k pozorování a měření.

8. ledna 1964 v časopise Science New Lettres jeho vědecká redaktorka Ann Ewingová v titulku i textu své zprávy o konferenci Americké asociace pro rozvoj vědy poprvé na veřejnosti používá výstižný a chytlavý název černá díra. Odposlechla ho v plénu.

 „Mám podezření, že vesmír není jen mnohem bizarnější, než jak se nám jeví, ale bizarnější, než si umíme představit.“

Během téhož roku americké výzkumné rakety typu Aerobee objevily v souhvězdí Labutě silný rentgenový zdroj označený Cygnus X-1.

9. prosince 1967 označení černá díra použil velevýznamný astrofyzik John Wheeler na shromáždění v newyorském Institutu pro studia vesmíru.

I on ho prý od někoho pochytil (sám předtím používal opis „gravitačně kompletně sbalený objekt“). Teprve díky jeho prestiži se termín prosadil.

Během roku 1972 Angličané Betty Louise Websterová s Paulem Murdinem a paralelně Američan Charles Thomas Bolton ztotožňují neviditelného průvodce veleobra HDE 226868 v binárním systému Cyg X-1 s černou dírou o hmotnosti více než sedmi Sluncí. Šlo o první přijatelně věrohodnou identifikaci černé díry vůbec (všechny důkazy totiž mohou být toliko nepřímé).

Jak vidno, vědci na cestě k černým děrám nevycházeli z překvapení a nakonec museli skousnout i skutečnosti, které ještě krátce předtím považovali za nepřijatelné.

Britský přírodovědec J. B. S. Haldane to v roce 1927 vystihl dokonale: „Mám podezření, že vesmír není jen mnohem bizarnější, než jak se nám jeví, ale bizarnější, než si umíme představit.“ Hned další velký objev – rozpínání vesmíru (1929) – mu dal za pravdu.

Dnes se potýkáme především s problémem temné hmoty a temné energie. Čím nás vesmír překvapí potom?

Titulní foto: Černá díra polyká neutronovou hvězdu.  Zdroj. Dana Berry/NASA. Public domain

Čtěte též: Zatmění, keré zrodilo přírodovědu

 

Print Friendly