Toto je nejpodivnější žádost o práci ve fyzice: muž, jehož rovnice učinily černé díry myslitelnými, strávil část své kariéry argumentací proti nim. V roce 1939 vzal Albert Einstein svou vlastní obecnou teorii relativity a pokusil se ji použít k důkazu, že černé díry nemohou existovat.
Vesmír odmítl spolupracovat. Během jednoho lidského života astronomové jednu zvážili, slyšeli srážku dvou z nich a nakonec jednu vyfotografovali. Černá díra je oblast, kde gravitace zcela vítězí – cokoli překročí hranici, zůstává uvnitř, včetně světla – a příběh o tom, jak jsme jim uvěřili, je plný sázek, pochybností a jedné velmi dobře umístěné hvězdičky.
Myšlenka přišla v dopise z roku 1784
Nejstarší verze černé díry předchází Einsteina o více než století a přišla poštou. John Michell, anglický astronom a duchovní, vypočítal, že hvězda s hustotou Slunce, ale s 500násobným poloměrem, by pohltila vlastní hvězdné světlo: na povrchu by úniková rychlost musela být vyšší než samotná rychlost světla. Výpočet zveřejnil v dopise z roku 1784.
Michellova "temná hvězda" stála na chybné fyzice, a přesto dospěla ke správné myšlence – hmotě natolik koncentrované, že z ní světlo nemůže uniknout. Trvalo skoro dvě staletí, než tento koncept přestal znít jako matematický žert.
Nejhlasitější pochybovač napsal rovnice
Einsteinův pokus z roku 1939 vyloučit existenci černých děr je jednou z velkých ironií vědy: teorie, kterou hájil, na nich tiše trvala. Věc byla vyřešena – alespoň matematicky – v roce 1965, kdy Roger Penrose dokázal, že obecná teorie relativity předpovídá singularity uvnitř každé černé díry. Nebyly náhodným jevem úhledných, symetrických modelů, který by zmizel v neuspořádaném skutečném vesmíru. Byly pravidlem.
Tento výsledek proměnil černé díry z kuriozity v předpověď. Co stále chybělo, byla skutečná černá díra visící na obloze, na kterou by astronomové mohli ukázat.
Sázka, kterou Stephen Hawking doufal prohrát
Ukazování začalo u Cygnu X-1, prudkého rentgenového zdroje v souhvězdí Labutě. Do roku 1971 jej několik výzkumných skupin nezávisle na sobě označilo za prvního kandidáta na černou díru, který si získal širokou podporu. Objekt se odmítal chovat jako běžná hvězda a případ byl stále přesvědčivější.
Ve skutečnosti dost přesvědčivý na to, aby se o něj dalo vsadit. V roce 1975 uzavřeli Stephen Hawking a Kip Thorne přátelskou sázku o tom, zda Cygnus X-1 skutečně obsahuje černou díru – a Hawking, který strávil roky prací na teorii černých děr, se záměrně vsadil proti, aby prohra sázky alespoň znamenala výhru pro fyziku. Svou prohru uznal v roce 1990, jakmile pozorování nenechala prostor pro pochybnosti. Dnes se hmotnost kompaktního objektu v Cygnu X-1 odhaduje na přibližně 21,2násobek hmotnosti Slunce – objekt, který by žádná běžná hvězda, jakou známe, nedokázala vysvětlit.
Černé díry nejsou zcela černé
Hawkingova útěcha byla větší než sázka. V roce 1974 ukázal, že kvantová teorie pole nutí černé díry zářit – slabě, jako černé těleso, při teplotě určené jejich povrchovou gravitací. Tomuto jevu se dnes říká Hawkingovo záření a znamená, že černá díra se v principu může pomalu vypařovat.
V praxi se zatím žádná z nich nezmenšuje. Dokonce i nejmenší pozorovaná třída, hvězdné černé díry, v současnosti přijímají více hmoty z kosmického mikrovlnného záření na pozadí – tenkého dozvuku velkého třesku – než kolik jí ztrácejí Hawkingovým zářením. Účetní kniha se zatím jen plní.
Den, kdy časoprostor zazvonil jako zvon
Po sto let byl každý test černých děr nepřímý. Poté, na konci roku 2015, spolupráce LIGO a Virgo zachytily první přímou detekci gravitačních vln – událost nazvanou GW150914 a zároveň první pozorovanou srážku černých děr.
Podrobnosti signálu jsou ohromující. Obě černé díry, které se k sobě spirálovitě přibližovaly, měly přibližně 30 a 35násobek hmotnosti Slunce a ke srážce došlo asi 1,4 miliardy světelných let od Země. Vlnění časoprostoru překonalo tuto vzdálenost a přesto bylo zaznamenáno zdejšími přístroji. Následovaly stovky podobných detekcí, ale GW150914 byl okamžik, kdy černé díry přestaly mlčet.
Portréty dvou obrů
Slyšet černé díry nestačilo; astronomové je chtěli vidět. 10. dubna 2019 zveřejnil Event Horizon Telescope vůbec první přímý snímek černé díry – supermasivního obra v jádru galaxie Messier 87, zářícího jako prstenec žhavého uhlí kolem díry na obloze.
Pokračování bylo blíž domovu. V roce 2022 stejná spolupráce zveřejnila snímek Sagittaria A*, černé díry v centru naší vlastní Mléčné dráhy, zrekonstruovaný z dat sesbíraných už v roce 2017. Dva portréty, dvě galaxie, jedna a tatáž fyzika – dosud nejsilnější vizuální důkaz, že horizonty událostí jsou skutečná místa, nikoli teoretická účetní položka.
Těžká váha odvedle
První snímek Sagittaria A, pořízený spoluprací Event Horizon Telescope. Foto: EHT Collaboration, Wikimedia Commons, CC BY 4.0*
Sagittarius A* je černá díra, kterou známe nejlépe, a čísla jsou úžasně přesná. Její hmotnost vychází na 4,297 milionu hmotností Slunce, určenou s přesností na 0,012 milionu – účetnictví natolik přesné, že by potěšilo i banku. Nachází se asi 26 000 světelných let daleko a její naměřená velikost vychází na 51,8 milionu kilometrů – zhruba 32,2 milionu mil – v průměru.
Toto číslo si zaslouží srovnání. Země obíhá 150 milionů kilometrů od Slunce a Merkur se ve svém nejbližším bodě přibližuje na 46 milionů kilometrů. Umístěte Sagittarius A* na místo Slunce a jeho stín by sahal až za dráhu Merkuru – jediný objekt širší než první pruh vnitřní sluneční soustavy.
Název "vzrušující" a neklidná chuť k jídlu
Hvězdička v Sgr A* není poznámka pod čarou. Robert Brown ji tam vložil už v roce 1982: rádiový zdroj mu připadal "vzrušující" a fyzici označují excitované stavy atomů hvězdičkami. Možná jde o jediný objekt na obloze pojmenovaný podle nálady.
Název stále sedí. V roce 2013 astronomové pozorující rentgenovým teleskopem Chandra zachytili Sgr A*, jak vyslal záblesk 400krát jasnější než jeho obvyklý tichý šum. Ukazuje se, že i převážně klidná černá díra občas připomene sousedství, komu patří centrum galaxie.