Horizont událostí nemá žádnou hmotu, které byste se mohli dotknout, žádnou barvu, žádnou tloušťku – a přesto je nejabsolutnější hranicí ve vesmíru. Překročíte-li ho, neunikne ani paprsek světla namířený přímo zpět cestou, kterou jste přišli. Nic to místo neoznačuje kromě matematiky, která ho popisuje.
Právě tato kombinace – hranice, která je zároveň všude i nikde, a přitom naprosto konečná – odlišuje černou díru od každého jiného objektu v astronomii. Planety a hvězdy mají povrchy, na které byste se v principu mohli postavit. Horizont událostí je hranicí v samotném časoprostoru a pravidla na obou jeho stranách nejsou stejná.
Příběh o tom, jak fyzici této hranici porozuměli, sahá od dopisu z 18. století až po fotografii z roku 2019 a stále přináší nápady podivnější než samotná černá díra.
Hranice předpovězená dříve, než pro ni existovalo slovo
První náčrt této myšlenky se objevil v roce 1784, kdy anglický duchovní a astronom John Michell navrhl, že gravitace v blízkosti dostatečně hmotného a kompaktního objektu by mohla být natolik silná, že by jí neuniklo ani světlo. Tehdy ještě neexistovala obecná teorie relativity ani název pro hranici, kterou Michell popsal – jen aritmetika únikové rychlosti, jež překonala samotné světlo.
Název přišel o generace později, v polovině století, téměř jako druhotný nápad. Fyzik Wolfgang Rindler razil termín „horizont událostí“ v 50. letech 20. století a vypůjčil si slovo „horizont“ pro něco, co neskrývá krajinu, ale události. Přesnější definice následovala v roce 1958, kdy David Finkelstein pomocí obecné teorie relativity popsal horizont jako hranici, za níž se nic z toho, co se stane, nemůže nikdy dotknout pozorovatele venku. Tuto formulaci fyzici používají dodnes: horizont událostí není definován tím, co je uvnitř něj, ale tím, co z něj nikdy nemůže uniknout.
Poloměr, který spočítáte na ubrousku
Ať už definice zní jakkoli abstraktně, velikost horizontu událostí patří ve fyzice k nejjednodušším číslům, jaká lze spočítat, jakmile znáte hmotnost objektu. Jde o Schwarzschildův poloměr, pojmenovaný po německém astronomovi Karlu Schwarzschildovi, který toto řešení odvodil v roce 1916, jen pár měsíců poté, co Einstein zveřejnil samotnou obecnou teorii relativity.
Dosaďte libovolnou hmotnost a poloměr hned vyjde – což umožňuje názorná srovnání. Stlačíte-li Slunce na jeho Schwarzschildův poloměr, muselo by se vejít do koule o průměru asi 3,0 km (1,9 mi). Uděláte-li totéž se Zemí, koule se zmenší na zhruba 9 mm (0,35 in) – méně než kulička. Verze Měsíce by měřila asi 0,1 mm (0,004 in), hranici, kterou byste mohli ztratit na bříšku prstu. Žádné z těchto těles není ani zdaleka dost husté na to, aby horizont skutečně vytvořilo; číslo jen popisuje, jak daleko od něj jsou.
Na opačném konci škály vychází Schwarzschildův poloměr supermasivní černé díry ve středu Mléčné dráhy na přibližně 12 milionů kilometrů – hranici, do níž by se pohodlně vešla i dráha Merkuru.
Více vody než v jakémkoli oceánu, těsně předtím, než se zhroutí
Vzorec pro Schwarzschildův poloměr skrývá skutečně podivný důsledek: protože roste s hmotností, zatímco fyzická velikost objektu roste s třetí odmocninou jeho objemu, může i materiál s nízkou hustotou překročit vlastní horizont, pokud je ho prostě dost. Spočítáte-li, kolik obyčejné vody byste museli shromáždit, než by se celá hmota zhroutila pod vlastní gravitací, dostanete kouli o poloměru asi 400920754 km, tedy zhruba 2,67 AU – více, než je vzdálenost od Slunce k pásu asteroidů.
Ze stejného důvodu jsou právě ty největší černé díry v průměru méně extrémní než ty malé. Objem uzavřený horizontem událostí nejhmotnějších černých děr má v průměru nižší hustotu než běžné hvězdy hlavní posloupnosti. Horizont označuje místo, kde se únik stává nemožným, ne místo, kde je hmota namačkána na svou mez – a u dostatečně velkého objektu mohou slova „nelze uniknout“ a „řídké jako hvězda“ popisovat totéž místo.
Nikdy byste neviděli nikoho skutečně spadnout dovnitř
Tady je část, která zmate i pozorné čtenáře: horizont událostí lze překročit jen jedním směrem, ale zvenčí nikdo nikdy neuvidí, jak se to skutečně děje. Objekty směřující k horizontu událostí z pohledu vzdáleného pozorovatele nikdy zjevně nedosáhnou cíle, protože světlo nesoucí onen poslední obraz se k pozorovateli nikdy nedostane. Padající objekt se zdá zpomalovat, blednout a navždy mizet směrem k horizontu, aniž by k němu kdy viditelně dorazil.
Zda by byl samotný pád přežitelný, závisí zcela na velikosti. Lidský astronaut by pád přes horizont událostí přežil pouze u černé díry s hmotností přibližně 10 000 hmotností Slunce nebo více – u čehokoli menšího napáchají škodu jako první slapové síly poblíž hranice, dlouho předtím, než je dosaženo samotného horizontu.
Bod, ze kterého není návratu, natažený na hranici únosnosti
Tato škoda má svůj název: spagetifikace. V blízkosti černé díry se rozdíl gravitačního tahu mezi bližší a vzdálenější stranou objektu stává tak extrémním, že se nic neubrání natažení ve směru pádu. U malé černé díry k tomu dochází ještě hluboko mimo její horizont, a právě proto je černá díra s nízkou hmotností smrtelná dávno předtím, než se astronaut vůbec přiblíží k samotné hranici.
Zvětšíte-li ale černou díru, geografie se změní. U supermasivní černé díry leží bod, kde by spagetifikace začala, až uvnitř samotného horizontu událostí, takže by astronaut mohl hranici překročit, aniž by si natažení vůbec všiml – přestože následný pád ke středu zůstává nevyhnutelný. Jinými slovy, je možné projít bodem, ze kterého není návratu, a nějakou dobu se přitom cítit naprosto v pořádku.
Vyfotografovat siluetu, kterou nikdo nemůže vidět
Horizont událostí nevyzařuje žádné vlastní světlo, takže ho žádný dalekohled nedokáže zobrazit přímo – co astronomové mohou zachytit, je jeho silueta na pozadí žhnoucího, extrémně horkého plynu vířícího těsně za ním. Právě tuto siluetu se rozhodl zachytit Event Horizon Telescope, celosvětová síť radioteleskopů fungující jako jediný přístroj. Vůbec první snímek černé díry, ve středu galaxie Messier 87, zveřejnila spolupráce Event Horizon Telescope Collaboration 10. dubna 2019, a to současně v šesti vědeckých publikacích.
Čísla za tímto snímkem jsou ohromující sama o sobě. Dalekohled naměřil hmotnost této černé díry na 6,5 ± 0,7 miliardy hmotností Slunce a průměr jejího horizontu událostí na přibližně 40 miliard kilometrů (270 AU) – asi 2,5krát méně, než ukazuje zářící stín na samotném snímku, který je zvětšen tím, jak se světlo ohýbá kolem horizontu, než dorazí k Zemi. Dne 12. května 2022 stejná spolupráce odhalila druhý portrét: supermasivní černou díru ve středu naší vlastní Mléčné dráhy, Sagittarius A*.
Oba snímky byly závislé na rozlišení, jaké nemělo obdoby. Od roku 2018 pořizuje Event Horizon Telescope snímky na vlnové délce 870 mikrometrů (345 GHz) a dosahuje úhlového rozlišení 19 mikrosekund oblouku – nejostřejšího ze všech pozemních dalekohledů, což zhruba odpovídá schopnosti přečíst ze Země titulek novin na povrchu Měsíce.
Slabá záře na samém okraji
I ta nejabsolutnější hranice ve fyzice má – alespoň teoreticky – svou skulinku. Podle modelu kvantových jevů, který v roce 1974 vypracoval Stephen Hawking, je těsně mimo horizont událostí černé díry uvolňováno Hawkingovo záření. Samotný horizont stále nic nepropouští zpět – záření je samostatný kvantový proces odehrávající se přímo na jeho prahu, nikoli světlo unikající zpoza hranice.
Je to připomínka, že horizont událostí, přes veškerou svou konečnost, není posledním slovem o tom, co černá díra dělá. Je to prostě čára, za kterou vás vesmír přestává informovat.