Jak jsme objevovali kosmos

Jana Olivová: Nedávno vyšla v českém překladu vaše kniha „Tajemství vesmíru“ (Secrets of the Universe), takže naši čtenáři mají příležitost se seznámit s vašimi myšlenkami a představami o kosmu. Zaměřujete se na odhalování jeho tajemství – a já si troufám říci, že mezi největší záhady ve vesmíru – alespoň z pohledu laické veřejnosti – se řadí černé díry, byť v posledních letech toho o nich vědci mnoho zjistili. Co tedy je o těchto objektech v současné době přesně známo, jakého jsou charakteru podle nejnovějších vědeckých poznatků?

Paul Murdin: Titul knihy zní „Tajemství vesmíru“, ale v podtitulku je „Jak jsme objevovali kosmos“. Podle mého názoru je příběh odhalování tajemství důležitý a zajímavý. Právě to jsem chtěl ve své knize zachytit: Jak se stalo, že se lidé začali pokoušet odkrýt taje vesmíru. Nikde jinde v knize se to neukazuje dramatičtěji než právě v pasážích o černých dírách. Pojem černých děr je ve skutečnosti starý už víc než 200 let. Koncem 18. století přišli dva vědci – John Mitchell a Pierre Laplace – s hypotézou, co jsou černé díry: totiž že jde o hvězdy s tak obrovsky silnou gravitací (protože jsou velmi hmotné a husté), že světlo nemůže z jejich povrchu uniknout. Ale představovat si něco takového není samozřejmě totéž jako tvrdit, že to v přírodě skutečně existuje.

J. O.: Pokud vím, tak dokonce ani Albert Einstein nevěřil, že by takový objekt mohl skutečně existovat...

P. M.: Přesně tak. V Anglii žil počátkem třicátých let 20. století vynikající astrofyzik – zřejmě nejvýznačnější na světě – Arthur Stanley Eddington. A ten v existenci něčeho takového vůbec nevěřil. Odtud se pak odvinula otázka, zda je příroda skutečně vytváří nebo ne. Na ni se v USA zaměřil Robert Oppenheimer s některými svými studenty. Zjistil, že když se některé hvězdy blíží k závěru svého života, gravitační síla, která na ně působí, jejich vlastní gravitace, převáží nad tlakem v jejich nitru, který se snaží zhroucení hvězdy zabránit. Všechny hvězdy jsou totiž v jakési rovnováze: směrem dovnitř působí síla jejich vlastní gravitace, která hvězdu smršťuje; opačným směrem – ven – působí spád tlaku plazmatu a u velmi hmotných hvězd také tlak záření, které gravitaci vyvažují a smršťování hvězdy brání. Pokud tlaky plazmatu a záření zeslábnou a zmizí, gravitace zvítězí a hvězda se zmenšuje, zmenšuje a zmenšuje. Veškerá její hmota se hroutí do stále menšího objemu – a výsledkem je černá díra. Oppenheimer spočítal, že to je možné. Což přirozeně vyvolává další otázku: Dobrá, když černé díry mohou existovat, příroda má způsob, jak je vyrobit, jak se dá nějaká najít? Když se nad tím zamyslíte, dojde vám, že je velmi obtížné hledat něco, co nevyzařuje vůbec žádné světlo, rádiové vlny ani rentgenové záření.

Tento problém se proto začal řešit tak, že se nehledala přímo sama černá díra, ale pátralo se po projevech mimořádně silné gravitační síly, kterou černá díra působí ve svém okolí. Když jsem v letech 1971−1972 začal černé díry poprvé hledat, znamení, po němž jsem ve vesmíru pátral, byly hvězdy vydávající rentgenové záření. Věděl jsem totiž, že kdyby na černou díru padal nějaký plyn, tento plyn by silně stlačovala síla gravitace – podobně, jako když pumpujete duši u jízdního kola ruční pumpičkou a ta se zahřívá, protože v ní stlačujete vzduch. Tudíž plyn padající na černou díru se velmi silně zahřívá a vyzařuje rentgenové záření. Z toho důvodu jsem začal pátrat po místech, odkud vycházelo rentgenové záření. A nakonec se našla hvězda, která vydává rentgenové záření, je velmi malá, velmi hmotná – a má právě ty správné parametry, aby to byla černá díra. Nešlo o důkaz, ale byl to dobrý, silný náznak. A podle všeho, co jsem teď, o 40 let později, o uvedené hvězdě slyšel na této konferenci,¹⁾ je čím dál jasnější, že jde skutečně o černou díru. Ale v žádném případě lidé nikdy černou díru neviděli. Svými pozorováními se však dostávají k černé díře stále blíž a blíž. V názvu této konference stojí: „Silná gravitace v blízkosti černých děr“. Nepojednává o černých dírách, ale o tom, co se děje v jejich těsné blízkosti. A podle toho my dnes poznáme, že tam černé díry skutečně jsou.

J. O.: Teprve nedávno vědci zjistili, že existuje neznámá forma hmoty – temná nebo také skrytá hmota – a ještě neznámější forma energie – temná či skrytá energie. Do jaké míry ovlivňuje tato skutečnost jejich pohled na černé díry? Nemohou být efekty, které připisujete působení černých děr, vyvolány touto tajemnou temnou hmotou? V čem je rozdíl?

P. M.: Temná hmota je všude, černé díry jsou jen někde. Temná hmota pravděpodobně prolétá i touto místností, zatímco zde spolu hovoříme. Prochází skrze vás i skrze mne. Na všechno kolem má jen nepatrný vliv. Z toho důvodu trvalo tak dlouho, než vzniklo byť jen podezření, že existuje. Proto je pro nás stále hádankou, co to vlastně je, jelikož nedělá v podstatě nic – kromě toho, že existuje. Problém však spočívá v tom, že je všude a že se nekoncentruje do chuchvalců a kusů. Černé díry ano, černé díry jsou hvězdy, začaly jako hvězdy. Buď to jsou samostatné hvězdy, které se zhroutily, nebo jde o miliony hvězd, které splynuly a vytvořily černou díru. Jsou tedy výrazně soustředěné do jednoho konkrétního místa – některé jejich vlastnosti jsou tudíž skutečně naprosto odlišné.

J. O.: Existují, jak jste říkal, hvězdné černé díry – a pak supermasivní černé díry nebo veledíry, které jsou daleko větší – jsou v centrech galaxií. Vznikly tyto dva typy černých děr stejně? Mají společné všechno, jen něco, nebo vůbec nic?

P. M.: V současné chvíli mají společné všechno. Opakuji, že jedním z témat konference byl způsob, jak se představy o těchto dvou typech černých děr slučovaly do jednoho pojetí. Můžete získat nějaké poznatky o jednom typu černých děr a poměrně snadno je převést na druhý typ černých děr. To je dost pozoruhodné. Oba typy černých děr však vznikly naprosto rozdílným způsobem. Hvězdné černé díry – o které jsem se zajímal já – jsou hvězdy na konci svého života. Velmi hmotné černé díry v centrech galaxií se vytvořily přibližováním a splýváním jednotlivých hvězd. Nejprve jich byly jen tisíce, ale později se jich možná miliony a nakonec miliardy soustředily do jedné malé oblasti v srdci každé galaxie. Zdá se, že každá galaxie má ve svém středu černou díru: supermasivní nebo jen velmi hmotnou, ale pravděpodobně ji má každá galaxie. I my ji máme. V centru naší Galaxie se nachází černá díra a my nedaleko ní pozorujeme hmotu, která na ni padá, a vidíme, jak odtud vycházejí silné záblesky. V blízkosti vidíme hvězdy, které kolem ní krouží: sviští si to stále dokola a dokola. Naštěstí pro nás tato černá díra není moc aktivní – je velmi klidná, jako medvěd v zimním spánku, prostě spí. Chrápe – vydává čas od času malé záblesky –, ale nerozzlobí se. Existují jiné galaxie, kde se nacházejí opravdu velmi hmotné černé díry, které tam narušují klid, protože do nich padá velké množství plynu, a ty se pořádně zlobí, jsou velice aktivní a narušují pořádek celé galaxie, v níž se nacházejí. Takže štěstí pro nás, že v naší Galaxii spí.

J. O.: Může něco v naší Galaxii toho „medvěda“ probudit?

P. M.: Kolem černé díry ve středu naší Galaxie obíhá stále dokola skupina hvězd, a pokud se dráha nějaké hvězdy trochu naruší a hvězda se dostane příliš blízko k černé díře, ta se probudí a my jednoho dne uvidíme uprostřed naší Galaxie směrem k Střelci velmi jasnou hvězdu, která se bude víc a víc zjasňovat…

J. O.: Astrofyzikové nedávno zjistili, že černé díry se ve vesmíru objevily daleko dříve, než původně předpokládali, již brzy po velkém třesku. Jak se mohly v tak krátkém čase vytvořit?

P. M.: To je dobrá otázka, ale je to vlastně stejné, jako jak se mohly tak rychle objevit galaxie a hvězdy. Zdá se, že galaxie a hvězdy se vytvořily daleko rychleji, než jsme si mysleli. A pokud jsou v galaxiích hvězdy, pak se v důsledku toho objeví i černé díry. Není proto tak obtížné vysvětlit přítomnost černých děr, jestliže dokážete vysvětlit přítomnost hvězd a galaxií. Jelikož však nedokážeme vysvětlit jejich existenci v tu správnou dobu, je to skutečně záhada.

J. O.: Takže astronomové a astrofyzikové se domnívají, že galaxie vznikly jako první a černé díry se vytvořily až poté, co se objevily galaxie?

P. M.: Není jasné, jestli se nejprve objevily hvězdy a vytvořily galaxie a pak galaxie vytvořily černé díry, nebo zda se nejprve objevily galaxie a vytvořily hvězdy a hvězdy vytvořily černé díry, nebo jestli se nejprve objevily galaxie a ty daly vznik hvězdám a černým dírám současně. To všechno je obtížně zjistitelné a v současnosti se tento problém studuje na celém světě. Víte, v astronomii je toho spousta, co ještě není známo. Je příjemné tady teď sedět a vykládat vám o tom, čemu věřím, ale nezmiňuji se o těch velkých mezerách v našich znalostech a o věcech, které neznáme.

J. O.: Jak jste už poznamenal, vědci sledují aktivitu černých děr a jevy, které ji doprovázejí, v jejich okolí. Vědí ale, že zákony fyziky, jak je známe, přestávají uvnitř černých děr platit, že prostor a čas nabývají zcela jiných vlastností. Mají nějaké nástroje a vůbec nějakou možnost zjistit, jaké fyzikální zákony se uvnitř černých děr uplatňují, co je ona singularita v jejich centru?

P. M.: Klasická představa o černých dírách, říkám klasická, tedy 50 let stará představa, je taková, že se nelze dozvědět nic o tom, co je v jejich nitru. Jediné tři věci – podle této teorie jsou to tři parametry –, které se můžete o černých dírách dozvědět, jsou jejich hmotnost, jaký mají elektrický náboj (obvykle nemají žádný) a dále jejich spin, tedy jak rychle rotují. Známy jsou pouze tyto tři věci. Nevíte dokonce ani to, jaký druh hmoty se nachází uvnitř černé díry. Když řeknete částicovému fyzikovi, že jakmile do černé díry umístí nějaké částice, nemůže poté už říci, o jaký typ částic jde (ví, co to bylo za částice, když byly ještě vně černé díry, ale jakmile se ocitnou uvnitř, fyzikální zákony se zblázní a už se nedá určit vůbec nic), tak se mu to nelíbí. To částicoví fyzikové nemají rádi. Je to v rozporu s jejich představami o fundamentálních vlastnostech hmoty. Z toho důvodu se vědci velmi usilovně snaží spojit gravitační teorii černých děr s ostatními oblastmi fyziky, s částicovou fyzikou apod. Lidé zvučných jmen – napadá mě jméno Stephen Hawking, protože on pracuje na mé univerzitě – se snaží sjednotit existující fyzikální teorie do jednoho systému. A já se domnívám, že jakmile tomuto systému lépe porozumíme, dokážeme lépe pochopit i fyziku, která se uplatňuje uvnitř černých děr. Černá díra je tak záhadná jen proto, že máme pouze naprosto jednoduchou představu o tom, jak vypadá. Ve skutečnosti nemůže být tak záhadná – my jí prostě jen pořádně nerozumíme.

J. O.: Zmínil jste se o Stephenu Hawkingovi – pokud vím, před pár lety oznámil, že vyřešil problém tzv. informačního paradoxu černých děr, ale od té doby nebyla ještě publikována žádná vědecká studie. Víte, co přesně měl na mysli?

P. M.: Má za to, že pochopil mechanismus, jehož pomocí se dá určit, jaký typ hmoty se nachází uvnitř černé díry. Musím říct, že tomu naprosto nerozumím – přesahuje to mé matematické schopnosti, mám problémy dokonce porozumět i tomu, co Stephen Hawking vyjadřuje slovně. Ve svém hodnocení se tedy spoléhám na své kolegy spojené s univerzitou a poslouchám, co říkají oni. Někteří říkají totéž co já: „Nerozumím tomu.“ Jiní říkají: „Rozumím tomu a Stephen se mýlí.“ Jsem tedy toho názoru, že Stephenovo oznámení, že daný problém vyřešil, je prohlášením velmi odvážného člověka – a myslím, že je potřeba na tom ještě pracovat.

J. O.: Mohl byste podrobněji popsat svůj vlastní výzkum, vaše výzkumné a vědecké cíle?

P. M.: Povím vám tajemství: žádné nemám. Když jsem byl mladý, byl jsem výzkumník a věnoval jsem se černým dírám, udělal jsem hodně práce i v dalších oblastech astronomie. Silně jsem se zajímal o výrobu dalekohledů, aby dělaly to, co chci. Začal jsem pracovat pro observatoře na celém světě – v Austrálii, ve Španělsku, stavěl jsem dalekohledy a vyráběl různé přístroje. Zřejmě se mi to dost dařilo, protože jsem nakonec zjistil, že řídím observatoře. A stal se ze mne nikoliv vědec, ale vědecký administrátor – spíš jsem říkal jiným lidem, co mají dělat, než abych to dělal já sám. A když se podívám na studenty, na mladé lidi, kteří byli na této konferenci, vidím hodně žen a mužů ve věku 20, 25, 30 let – vzpomínám na sebe, když jsem byl stejně starý, a myslím, že jsem byl jako oni. Tak to má být, právě tam se totiž dělá výzkum. Výzkum probíhá v hlavách mladých lidí. Nevědí, co je nemožné, mají energii, mají motivaci – jsou dychtiví, potřebují práci, potřebují se předvést, jsou neuvěřitelně silně motivovaní a nápadití a mají vědecké cíle. Já jsem jen ohromný stařec symbolizující peníze v kapse a snažím se neprovádět výzkum sám, ale osedlat ty správné koně pro závody v bádání.

J. O.: Nicméně jste napsal knihu o objevování tajemství vesmíru – jaké je podle vašeho názoru nejzajímavější tajemství, které zatím nebylo odhaleno a jehož odhalení byste se rád dočkal?

P. M.: Nejdůležitější objev, na který se teprve čeká, je nalezení života mimo Zemi. Já jsem o něm naprosto přesvědčen. Myslím, že pokud život v naší sluneční soustavě existuje, pak ho určitě dokážeme najít v některém z programů výzkumu vesmíru. Život může být na Marsu nebo na některé z přirozených družic Jupiteru, například na jeho měsíci Europa, který má podle všeho oceán – pod ledovým povrchem Europy je pravděpodobně víc vody než na Zemi. A když je tam oceán, jsou tam zdroje energie – proto tam může být i život. Najdeme-li život tady nebo na jiných tělesech obíhajících kolem vzdálených hvězd, pak se bude jednat o život do jisté míry podobný tomu našemu. Podle mého názoru tomu tak bude, protože bude založen na chemii – na vodě atd. Bude však jiný. Poznáme ho díky té podobnosti, ale připraví nám i překvapení, jelikož bude současně odlišný. Nepochybně to budou jiné druhy – jiné druhy rostlin a živočichů – a co já vím, možná dokonce i dost pokročilé živočišné druhy. Zcela určitě to však budou jiné druhy – a my se budeme učit jejich zkoumáním, zjišťováním toho, jak fungují. Co je však ještě zásadnější – zjistíme, že se život vyvinul zcela odlišným způsobem než na Zemi, ve zcela jiném prostředí. Z toho důvodu se bude v některých podstatných aspektech lišit. Když pak porovnáme tyto zásadní rozdíly mezi tímto cizím a naším životem, když zjistíme shody a rozdíly, otřese to samým naším poznáním toho, co je život obecně a jak funguje. Nové poznatky se pak promítnou do medicíny, do biotechnologií, do dalších oblastí ve prospěch lidstva. To je podle mého názoru ten nejpodstatnější objev, který teprve musíme učinit.

J. O.: Ano, ale vědci už hledají známky mimozemského života 50 let, žádné však nebyly odhaleny, žádný život se neobjevil. Domníváte se, že se nacházíme v době, kdy už máme potřebné nástroje k odhalení života mimo naši planetu?

P. M.: Rád bych upozornil na rozdíl mezi jednoduchým životem – mikroorganismy a podobně – a složitým, inteligentním životem. Když se podíváte na dějiny Země, jednoduchý život se objevil téměř okamžitě, jakmile to šlo, během několika stovek milionů let po zformování Země. Jeho stopy vidíme v horninách, například v nejstarších horninách v Austrálii existují útvary zvané stromatolity, což jsou vlastně pozůstatky kolonií mikroorganismů. Jednoduchý život se tudíž objevuje velmi lehce – zdá se, že vznik jednoduchého života na planetě je snadný. Vezmete-li ale v úvahu, že mezi objevením se života a mezi vznikem složitějších organismů uběhly miliardy let, pak je to skutečně velmi dlouhodobá záležitost. Důvod spočívá v tom, že proces evoluce je pomalý, musí proběhnout spousty a spousty nahodilých pokusů, většina z nich nefunkčních – až pak jeden funguje a posléze dlouho zadržovaná evoluce pošťouchne život do složitých forem. Nakonec se dostane až na úroveň lidí, jako jste vy a já. A bezpochyby půjde dál a vyvinou se druhy pokročilejší, než jsme my. To znamená, že vytvořit složitý život je velmi obtížné. Je snadné vytvořit jednoduchý život, ale je těžké vytvořit komplikovaný život. Z toho plyne, že jednoduchý život bude ve vesmíru všudypřítomný, protože v něm je tolik hvězd a podle všeho i tolik planet, a tedy tolik míst, kde se může jednoduchý život vyvinout. Mám za to, že jakmile tato místa vzniknou, šup – a život je tu. Trvá však dlouho, než se objeví složité formy života, tak jsou podle mého názoru vzácné. Civilizace jsou proto ve vesmíru nepočetné, jsou daleko od sebe a dostat se z jednoho místa na druhé je velmi obtížné – proto tady kolem nás v tuto chvíli nejsou žádní mimozemšťané. Vy i já můžeme vysledovat svou evoluční historii zpět k oněm mikroorganismům, ke stromatolitům, nic ale nedokazuje, že by přišly z vesmíru. Jsem si tudíž dost jistý, že Zemi žádní mimozemšťané nenavštěvovali – a vědci nenašli ani žádné rádiové signály či vysílání nebo něco podobného, protože jich moc není.

J. O.: Pokud ale jsou, je moudré snažit se o kontakt s nimi?

P. M.: Já patřím k těm, kteří se domnívají, že pokud objevíme někoho, kdo směrem k nám vysílá rádiové vlny, měli bychom být zticha. Když se podíváte, co se stane, když se pokročilejší civilizace zde na Zemi dostane do země, kde je civilizace méně pokročilá, vidíte, že lidé méně pokročilí zjevně neprožívají zrovna nejlepší časy – zachází se s nimi špatně, jsou vykořisťováni. Pokud tedy skutečně najdeme mimozemšťany, kteří jsou na pokročilém stupni vývoje a dokáží tak dobře cestovat vesmírem, že by se sem mohli dostat, měli bychom se podle mého názoru raději schovat a nechat je, aby nás minuli.

Rozhovor Českého rozhlasu – Vltava pro Vesmír připravila Jana Olivová