pátek 18. března 2016

MALÁ KOSMOLOGICKÁ HLÍDKA -- BÍLÉ DÍRY VE VESMÍRU




Malá kosmologická hlídka.jpg
Bílé díry ve vesmíru
Mnozí návštěvníci a čtenáři tohoto blogu vědí co je to vesmírná černá díra, jak působí tento neobvyklý objekt a jaké je jeho chování v nekonečném kosmickém prostoru. V poslední době stále více a více černých děr připoutává pozornost vědců svým chováním, a přesněji specifickým chováním svých sousedů. Co to však je bílá díra? O tom se již ví podstatně méně. Podívejme se na tento jev blíže.

Co jsou bílé díry?

Bílé díry jsou stále ještě hypotetické objekty, o kterých vědci dosud nemohou s jistotou říci, že skutečně existují. Když se jich zeptáme na to, co to je bílá díra, mohou však jednoznačně říci, že je to obdoba černé díry, avšak její pravý opak. A co to znamená, opak? Hned k tomu dojdeme.
Wkile_hole (artist).jpg
Aktivní bílá díra (v uměleckém ztvárnění)
Černá díra vzniká z nějakého obrovského, velmi masivního, vesmírného tělesa jeho implozí. Nejčastěji to bývá hvězda, která je několikrát větší a hmotnější než naše rodné Slunce. Hvězdy mají tu vlastnost, že je v nich rovnováha mezi gravitační silou, která působí ve směru do středu hvězdy a radiačním tlakem, který naopak tlačí ven. Ve starých hvězdách, kde se jaderné palivo při spalování v jádru hvězdy vyčerpá, dojde ke gravitačnímu kolapsu. V neutronových hvězdách jsou elektrony stlačovány do jádra, slučují se s protony a vytvářejí se neutrony. Kolaps se potom zastaví tlakem degenerovaných neutronů. U masivnějších hvězd je gravitační síla ještě větší, smršťování bez překážky pokračuje a vzniká černá díra.
Jinými slovy, když mohutná hvězda “dožije” do stavu rudého giganta, tak se taková obrovská hvězda nepřemění na bílého trpaslíka a dokonce ani na neutronovou hvězdu, ale vznikne z ní černá díra. Gravitační síly jednoduše zvítězí nad silami tlaku působícími opačně a taková hvězda zkolabuje do rozměru elementární částice (možná ještě menšího). Veškerá její hmota včetně světelných fotonů se octne v jednom bodu - bodu singularity. Kolem tohoto bodu se vytvoří zvláštní plocha - povrch tak zvané Schwarzschildovy koule, což je vlastně horizont událostí černé díry. Pronikne-li foton, tj. elementární částice světla, do této koule, pak vyletět zpět už nebude možné. Bude-li se pohybovat ke kouli po tečně, pak navzdory tomu jak jsme zvyklí představovat si přímočarý pohyb světelných paprsků, bude tento foton rotovat podél kulové plochy kolem bodu singularity (viz obrázek níže). Vše, co se dostane do blízkosti černé díry, bude obrovskou silou vtahováno dovnitř.
Světelné paprsky kolem černé díry.jpg
Zakřivené dráhy světelných paprsků kolem černé díry
K tomu, abychom pochopili co by uviděl vnější pozorovatel, si představme že kosmická loď přilétá stále blíž a blíž k černé díře (která pro vnějšího pozorovatele samozřejmě není viditelná). Pozorovatel by viděl, že skutečně nějaká neuvěřitelně velká síla táhne kosmickou loď za sebou. Když se však rychlost lodě ještě zvětší, loď se zastaví a bude padat do černé díry nekonečně pomalu. To znamená, že v okolí černé díry se čas zpomaluje.
Za bílou díru se považuje vesmírný objekt, do jehož nitra nic nemůže proniknout, tím méně světlo, naopak zevnitř vydává zář do okolí. Uvnitř bílé díry působí záporná gravitace, která brání materiálním tělesům i fotonům v pronikání do středu bílé díry. Stále však mějme na mysli to, že dosud se bílé díry reálně neobjevily, přinejmenším ne s takovou věrohodnou přesností jako díry černé.
Vyhazující bílá díra.jpg

Jak je to s opravdovou existencí bílých děr?

Řada vědců, jako například izraelští astronomové a fyzici Alon Rener a Schlomo Heller, oba z Tel Avivské univerzity, přišli s verzí vysvětlení existence bílých děr, která se opírá o to, že anomální záblesk záření gama (záření označovaného řeckým písmenem γ, které je nejpronikavější), registrovaný v astronomických katalozích jako GRB 060614 (a podařilo se jej v roce 2006 pozorovat), byl právě bílou dírou.
Titul Retter_Heller.jpg
Titul článku A. Rettera a S. Hellera
(z New Astronomy, vol. 17, issue 2, February 2012)
U záblesků γ záření se rozlišuje dlouhý záblesk (trvá déle než dvě sekundy) a krátký záblesk (pod dvě sekundy), viz obrázek s příklady níže. Záblesk GRB 060614 měl vlastnosti jak krátkého, tak i dlouhého záblesku a trval 102 sekundy. Tak dlouhé trvání je charakteristické pro výbuch supernovy. Ta však v dané galaxii nebyla zpozorována a nebyly ani γ záblesky, které jsou pro výbuch supernovy charakteristické, což přivedlo k myšlence o zcela jiné a do té doby neznámé podstatě záblesku.
Gama záblesk GRB060614.jpg
Podrobné zkoumání charakteru záření právě přivedlo A. Rettera a S. Hellera k závěru, že se astrofyzici pozorující záblesk, stali šťastnými svědky výbuchu bílé díry. Tím vlastně potvrzovali jednu z Einsteinových teorií. Podle něho bílé díry jako protiklad svých druhů - černých děr ve vesmíru existují. Soudili, že vznik bílé díry, který pojmenovali “malý třesk”, je spontánní, veškerá hmota je při něm vyvržena jako jeden puls.
Malý třesk.jpg
“Malý třesk” (v uměleckém ztvárnění)
Na rozdíl od černých děr, bílé díry nemohou být stále pozorovány, může být zaznamenáno jen to, co způsobí při samotné události jejich vynoření. A ta událost k nám přináší záblesky γ záření, které mají podle definice krátké trvání, avšak mají nesmírnou intenzitu. Jde o energeticky nejmohutnější exploze ve vesmíru.
Krátký a dlouhý gama záblesk-č.jpg

Otázka vzniku a života bílých děr

Je-li možné pochopit z čeho se může vytvořit černá díra, pak vzniká otázka z čeho se vytvoří bílá díra? Někteří astronomové mají za to, že takový objekt může vzniknout z částic hmoty, které vycházejí zpoza horizontu událostí černé díry, a ta je v jiném časovém kontinuu. A jak by to bylo možné, vždyť z černé díry se nic nemůže dostat ven a všechno do ní jen padá? Zde je zjevný protiklad. Je však také známo to, že čím je černá díra masivnější, tím déle “žije” a i když je délka života černých děr značná, nejsou věčné. Hmota, která je “skrytá” v bodu singularity má schopnost se pomaloučku “vypařovat”. K tomu dochází vlivem tzv. tunelového jevu. Pro nás je tento jev nezvyklý, vědci jej zjistili u elementárních částic. Pomáhá těmto částicím jako by oklamat zákony gravitace a umožňuje jim vyskakovat z gravitační pasti.
Malé černé díry se vypařují téměř okamžitě. Ty supergigantické žijí sice miliardy let, avšak doba jejich existence se dříve či později přiblíží jejich konci. Takže jsou cesty, kterými mohou částice hmoty opouštět černou díru. Podle některých fyziků se přitom mohou ocitnout v úplně jiném čase. To by znamenalo, že černá díra by se mohla pro nějaké vnější pozorovatele z jiného času stát bílou dírou, do níž se nic nemůže dostat, ale něco z ní vylétá ven. Navíc, vzniku bílých děr mohly pomáhat i reliktové mechanizmy, které zafungovaly hned po velkém třesku.
Ještě se zmiňme o domněnce, že při zrození vesmíru, byl velký třesk sám o sobě gigantickou bílou dírou (která vyvrhla hmotu s elementárními částicemi do prostoru), takže slabší bílé díry, přezdívané “malé třesky” by se měly chovat podobně. Má se za to, že vesmír se zrodil náhle v jednom okamžiku. Předpokládá se, že výskyt bílé díry je obdobně mžiková událost. Před tím než k události dojde, nemá bílá díra žádnou konečnou polohu v prostoro-časovém kontinuu, a tudíž ani gravitační vliv na prostředí v nějakém předurčeném místě erupce. Žádná bílá díra nevyvrhuje hmotu ven po dlouhý čas. Namísto toho, podobně jako při samotném zrození vesmíru, jde o proces, který je dílem okamžiku, nepředvídatelný a jednorázový.

Kde je možné najít bílé díry?

Otázkou je také kde hledat bílé díry? Pokud by to bylo dílo supermasivních černých děr, bylo by možné je najít uprostřed velkých galaxií, nebo v soustavách hvězdných dvojčat v nichž jedna hvězda zkolabovala a nyní vysává svého druha. Takové obrázky je již možné pomocí přístrojů pozorovat. U hvězd, které se stávají černými dírami dochází jakoby k implozi dovnitř (což je právě jejich kolaps). S bílými dírami je to mnohem těžší, jelikož je nutné pochopit kde a jak hmota a pole jakoby vychází “odnikud”. Je to velmi složité.

A ještě “šedá díra”?

Podívejme se ještě na další variantu. Připusťme, že bílá díra vznikla uvnitř Schwarzschildova kulového povrchu, kolem bodu singularity černé díry. Hmota přichází z minulosti a může se dokonce poněkud vzdálit od tohoto bodu, ale potom se vše, nebo velká část této hmoty pohybuje v opačném směru vůči bodu singularity. Pak jde o bílou díru v černé díře. V tom případě celý objekt představuje tzv. šedou díru. Šedá díra je dokonce ještě obtížněji zjistitelná než bílá díra. Matematici a fyzici říkají, že existenci takového udivujícího objektu je plně možné opřít o matematické výpočty.

Naše vědění o existenci bílých děr - brzy nebo pozdě?

Skeptici se často ptají proč nikdo dosud bílé díry věrohodně nezjistil, když existují. Přitom u černých děr probíhá pozorování běžně. Na tuto otázku odpověděl fyzik Stephen Hsu z oregonské univerzity. Modelováním situace, v které jsou černé a jejich protiklad bílé díry, dospěl k závěru, že bílé díry jsou naprosto nestabilní a doba jejich života je velmi omezená. Po ukončení doby svého života bílá díra vybuchne a vyhodí do vesmírného prostoru hmotu. Je zajímavé, že následky jejího výbuchu jsou téměř shodné s následky velkého třesku, kterýmžto se vytvořil náš vesmír. Výbuch bílé díry (jak uvádíme výše) byl proto nazván “malým třeskem”. V nestabilitě bílých děr je ukryta odpověď na položenou otázku. Na rozdíl od protikladných bílých děr mohou černé díry existovat nekonečně dlouho, časem se rozrůstat na úkor kolem prolétajících asteroidů a tím se stávat ještě stabilnějšími.

Einsteinovy-Rosenovy mosty

Je dobré připomenout, že již v roce 1935 byly popsány Einsteinovy-Rosenovy (Albert Einstein, Nathan Rosen) mosty, které dokazují existenci černých a bílých děr a spolu s tím vysvětlují fyzický paradox černých děr, podle něhož se hmota nemůže objevit odnikud a zmizet nikam, v černých dírách však přece mizí. Podle teorie Einsteinových-Rosenových mostů je každá černá díra prostoro-časový tunel, který má výstup ven, ne však nutně do toho vesmíru, kde je vstup. A dokonce ne nutně v témž čase. To znamená, že část hmoty vtahované černou dírou v jednom prostoro-časovém kontinuu dovnitř, se vytlačuje v jiném prostoro-časovém kontinuu bílou dírou ven. V této souvislosti se hodí uvést, že uvedený prostoro-časový tunel bývá interpretován jako tzv. “červí díra” v multivesmíru, přes kterou bude potenciálně možné proniknout z jednoho vesmíru do druhého.
Červí díra-č.jpg
Znázornění “červí díry” (v uměleckém ztvárnění)
Existuje také zajímavá teorie typu ruské “matrjošky”, podle níž je náš vesmír skrytý v jednom z takových prostoro-časových tunelů a uvnitř každé černé díry může teoreticky být “uklizený” další - vlastní vesmír.
To všechno však jsou dosud stále jen teorie a do potvrzení nebo vyvrácení existence černých děr, bílých děr, prostoro-časových tunelů apod., uplyne nikoli jen sto let, neboť současné i blízké budoucí technologie umožní pouze pozorování z dálky a tvorbu matematicko-fyzikálních modelů. Naráží to také na to, že tajemné a příliš složité jevy jsou mnohdy velmi obtížné na to, aby se lidské vědomí a chápání s nimi vyrovnalo.

Co říci závěrem?

Náš vesmír je opravdu bohatý na všeliké neobvyklé objekty a jevy. Mezi ně patří i bílé díry, které  v budoucnosti, přepravují hmotu z hlubin minulosti. Vše kolem bílých děr se dosud stále zdá být příliš abstraktní. Ale i černé díry byly zpočátku popsány jako matematická abstrakce, a to již v roce 1784, kdy, anglický fyzik a geolog Reverend John Michell (1724-1793) v dopise Královské vědecké společnosti napsal, že u těles o poloměru, který je pětsetkrát větší než poloměr Slunce a hmotnost má jako Slunce, je druhá kosmická rychlost rovna rychlosti světla, a že mohou být přece i větší tělesa. A ty se právě musejí “stlačit” na formu černé díry. Takže možná i ”polapení” bílých děr není zase tak úplně za horami.