Pravděpodobně jste slyšeli zprávu o prvním obrázku černé díry, který zveřejnil vědec. Obrázek byl úžasnou zprávou nejen pro astronomii, ale i pro celý svět. Tento snímek byl prvním krokem k novým dveřím informací. Vesmír je každou novou informací stále více osvětlován a díky tomu jsme schopni lépe pochopit všechna tajemství mimo naši planetu.

Nedávno jsme byli svědky toho, jak byla Nobelova cena za rok 2020 udělena dvanácti laureátům a jak jeden z nich svým výzkumem a objevy významně přispěl lidstvu. Všichni jsou to úžasní badatelé a rádi bychom zde hovořili o každém z nich, ale dnes si pro lepší vysvětlení a pochopení souvislostí prvního obrazu černé díry povíme o práci laureátů Rogera Penrose, Reinharda Genzela a Andrey Ghez, nositelů Nobelovy ceny za fyziku.

Podle oficiálních internetových stránek Nobelovy ceny byli laureáti oceněni "za objev, že vznik černých děr je spolehlivou předpovědí obecné teorie relativity" a "za objev supermasivního kompaktního objektu v centru naší galaxie". Penrose působivými matematickými metodami dokázal, že černé díry souvisejí s Einsteinovou teorií relativity, zatímco Reinhard Genzel a Andrea Ghez ve své práci nezvratně prokázali, že se ve středu naší galaxie Mléčné dráhy, dnes známé pod jménem Sagittarius A*, skutečně nachází černá díra.

Nobelova cena 2020 za fyziku

Abychom toto téma plně pochopili, potřebujeme znát několik základních pojmů o černých dírách, jako například: "Co je to černá díra?"; "Z čeho se skládají? Kde ji můžeme najít?"

Nejprve je třeba znát pojem, který se v astronomii často používá, a to pojem, co je to prostoročas. Časoprostor je čtyřrozměrný mnohostěn, tři rozměry prostoru a jeden rozměr času, v souřadnicovém systému bychom měli (x,y,z,t). Zajímavé je, že jeden bod v této souřadnicové soustavě se nazývá událost. Tímto můžeme získat definici černé díry.

Černá díra je časoprostorová oblast kde je gravitace tak silná, že se z ní nemůže vymanit žádný plyn, prach, částice, dokonce ani světlo! Všechny jsou gravitační silou silně přitahovány do černé díry a mizí, odcházejí na místo, které zůstává i dnes pro vědce neznámé. Zajímavé na tom je, že pokud se ani světlo nemůže vymanit z této síly, není možné černou díru spatřit nebo dokonce zjistit, kde se nachází. Je to podobné, jako kdybyste se snažili vidět černý objekt na černém pozadí - nevidíte ho, a pokud ano, je to velmi obtížné. Jak to tedy vědci dělají?

Teoreticky černé díry vznikají obvykle tehdy, když se na konci svého života zhroutí velmi hmotná hvězda, která je mnohem těžší než Slunce. Hmotnost je velmi důležitým faktorem, který rozhoduje o tom, zda se mrtvá hvězda změní v černou díru, nebo neutronovou hvězdu. Tato superhmotná hvězda je vlivem gravitace stlačena do velmi malého prostoru a pro vznik černé díry může tato kompaktní hmota podle obecné teorie relativity deformovat časoprostor.

Tato deformace časoprostoru vytváří gravitační zrychlení směřující do středu hustého hmotného tělesa. V důsledku této síly začnou plyn a částice v blízkosti černé díry nabírat rychlost rotace a jsou násilně přitahovány do černé díry. Tento jev se nazývá Akreční disk.

Tato gravitační a třecí síla způsobuje, že všechny plyny a částice s elektrickým nábojem generují nejen nárůst teploty, ale také elektromagnetické záření o různých frekvencích, jako je infračervené nebo rentgenové záření. Díky této úžasné vlastnosti lze černou díru "vidět". To je dobré, ale neusnadňuje to vědcům práci na 100 procent, máte frekvenci, kterou můžete sledovat, ale stále nemůžete říci "podívejte, támhle na obloze je černá díra". Světlo černé díry nemůžeme považovat za rovnocenné světlu běžné hvězdy, velmi se od sebe liší. Dobrou zprávou však je, že černý objekt ze začátku je nyní mírně osvětlen na černém pozadí.

Na prvním obrázku černé díry vidíme akreční disk. Černá díra je v tomto případě 6,5milionkrát těžší než naše Slunce a nachází se v galaxii Messier 87, 53 milionů světelných let od Země. Snímek se podařilo pořídit díky časosběru z osmi různých dalekohledů po celém světě, Event Horizon Telescope a některých dalších misí vesmírných teleskopů, které společně zachytily ve stejnou dobu data z M87, a to v dubnu 2017. Každý z nich zachytil jiná data z černé díry a poté vše spojil dohromady a vytvořil obraz. Může to znít jako snadná a jednostupňová záležitost, ale vědci museli tvrdě pracovat, aby plně porozuměli všem datům a tomu, jak s nimi pracovat, jaký algoritmus použít a jak ho použít.

V článku publikovaném v roce 1997 Genzel ukázal, že sběr dat z pěti různých let, od roku 1992 do roku 1996, zachycuje rychle se pohybující hvězdy v bezprostřední blízkosti Sgr A* a že uprostřed těchto hvězd se nachází velmi velká a těžká temná hmota. "Při této hustotě neexistuje žádná stabilní konfigurace normálních hvězd, hvězdných pozůstatků ani podhvězdných útvarů," uvádí se v článku (GENZEL et al., 1997). V závěru se uvádí, že "v jádru Mléčné dráhy se musí nacházet masivní černá díra".

V dalším publikovaném článku v roce 1998 Ghez v rámci dvouleté studie zjistil stejný vzorec pohyblivých počátků na stejném místě, jak se v článku uvádí: "vrcholy hustoty hvězdného povrchu i rozptylu rychlostí jsou v souladu s polohou kandidáta na černou díru (tehdy ještě kandidáta) Sgr A*" (GHEZ et al., 1998). Snímky použité ve studii byly získány v blízké infračervené oblasti vlnových délek, tedy v druhu frekvence, kterou vyzařuje akreční disk.

Zde je krátký seznam těchto článků:

GENZEL, R. a kol. O povaze temné hmoty v centru Mléčné dráhy. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Měsíční zprávy Královské astronomické společnosti), roč. 291, č. 1, s. 219-234, 11 stran. 1997.

GHEZ, A. M. et al. High Proper-Motion Stars in the Vicinity of Sagittarius A\ast: Důkazy pro supermasivní černou díru v centru naší Galaxie. The Astrophysical Journal, v. 509, č. 2, s. 678-686, dez. 1998.

GHEZ, A. M. et al. Měření vzdálenosti a vlastností centrální supermasivní černé díry Mléčné dráhy pomocí hvězdných oběžnic. The Astrophysical Journal, v. 689, č. 2, s. 1044-1062, dez. 2008.

Není vesmír tak krásný?

To vše je již neuvěřitelné, ale je toho ještě hodně před námi, jak řekl David Haviland, předseda Nobelova výboru pro fyziku "...tyto exotické objekty stále kladou mnoho otázek, které si žádají odpovědi a motivují budoucí výzkum. Nejen otázky týkající se jejich vnitřní struktury, ale také otázky, jak testovat naši teorii gravitace v extrémních podmínkách v bezprostřední blízkosti černé díry". A my tu budeme, těšíme se však na další přestávku! Mezitím děkujeme letošním laureátům Roger Penrose, Reinhard Genzel a Andrea Ghez, jste úžasní!

Pokud si chcete přečíst také o práci Rogera Penrose, zde je několik článků popisujících jeho práci. Jeden z nich byl publikován společně s legendárním Stephen Hawking. Můžete se podívat i na tyto články zde:

HAWKING, S.; PENROSE, R. The Nature of Space and Time. American Journal of Physics, roč. 65, č. 7, s. 676-676, 1. července 1997.

EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. Zachování energie jako základ relativistické mechaniky. II. American Journal of Physics, v. 33, č. 12, s. 995-997, 1. 9. 1965.

NEWMAN, E.; PENROSE, R. Přístup ke gravitačnímu záření metodou spinových koeficientů. Journal of Mathematical Physics, v. 3, č. 3, s. 566-578, 1. května 1962.

PENROSE, R.; RINDLER, W. Zachování energie jako základ relativistické mechaniky. American Journal of Physics, roč. 33, č. 1, s. 55-59, 1. 1. 1965.

Pokud vás čeká projekt nebo prezentace o jakékoli oblasti astronomie, můžete využít Mind the Graph, abyste zefektivnili, didakticky zefektivnili a zpříjemnili obsah! Víme, že je těžké získat dobré snímky na dané téma, a proto jsme tu my, abychom vám s tím pomohli, můžete se podívat na náš obsah o astronomii přímo zde.

V Mind the Graph najdete vše, co potřebujete, a pokud ne, pomůžeme vám!

Zlepšeme společně komunikaci ve vědě! Jste připraveni to zkusit?

Související články
logo-odběr

Přihlaste se k odběru našeho newsletteru

Exkluzivní vysoce kvalitní obsah o efektivním vizuálním
komunikace ve vědě.

- Exkluzivní průvodce
- Tipy pro návrh
- Vědecké novinky a trendy
- Výukové programy a šablony