Ľudstvo uvidelo neviditeľné. Čo bude ďalej po zverejnení obrázku čiernej diery?

, 25.04.2019 06:00
Norbert Werner
Astrofyzik Norbert Werner. Autor: ,

Vedcom sa podarilo odfotografovať objekt, o ktorom donedávna ešte niektorí pochybovali, či vôbec existuje. Čiernu dieru. Presnejšie okraj čiernej diery nazývaný horizont udalostí, spoza ktorého už nič, dokonca ani svetlo, neunikne. Čo tento obrázok znamená pre poznanie ľudstva? A ako vôbec vedci dokázali niečo také odfotografovať? Pýtali sme sa astrofyzika Norberta Wernera, ktorý sa podieľal na výskume galaxie Messier M87, v srdci ktorej prvá vyfotografovaná supermasívna čierna diera „pulzuje“.

Video: Vedci z Teleskopu horizontu udalostí (Event horizon telescope) priniesli prvý obrázok čiernej diery. Presnejšie okraja čiernej diery, okolo ktorého rotuje plyn rýchlosťou, ktorá sa blíži k rýchlosti svetla, vysvetľuje astrofyzik Norbert Werner.

Čo vlastne vidíme na tejto fotografii?

Je to prvý obrázok tieňa čiernej diery. Ako povedal vedúci tímu Teleskopu horizontu udalostí (Event horizon telescope – EHT) Sheperd Doeleman – prvýkrát sme uvideli neviditeľné. Čiernu dieru. Na obrázku vidíme vyžarovanie plynu z okolia čiernej diery, ktoré je zakrivené gravitačným pôsobením. Ten temný krúžok v strede predstavuje samotnú čiernu dieru, tam je horizont udalostí, odkiaľ sa už ani svetlo nedostane preč.

Ako to dokázali?

Medzinárodný tím EHT nemal vlastný teleskop, ale využíval ďalekohľady po celom svete. Jeden je napríklad na južnom póle (South pole telescope), ďalšie sa nachádzajú v Čile v púšti Atacama, na Havajských ostrovoch, v Mexiku, v Arizone v USA, v Európe. Ďalekohľady, ktoré sú od seba veľmi ďaleko, museli pozorovať rovnaký cieľ v rovnakom čase naraz. Fungovali ako jeden veľký teleskop. Ďalekohľad veľkosti Zeme. Keď vedci spojili dáta zo všetkých teleskopov, získali veľmi vysoké rozlíšenie. Zladiť to všetko je však veľmi náročné. Všetky ďalekohľady musia fungovať, nesmie sa vyskytnúť technický problém a počasie vo všetkých kútoch Zeme musí byť priaznivé.

Prečo ako prvú neodfotografovali čiernu dieru v strede našej Galaxie – Mliečnej cesty, ale čiernu dieru, ktorá je oveľa ďalej od Zeme?

Vedci pozorovali desať dní dve supermasívne čierne diery. Jednu, v strede našej Galaxie vo vzdialenosti 100 000 svetelných rokov, ktorá je 4 000 000-krát hmotnejšia ako naše Slnko. A druhú vzdialenú 55 000 000 sv­etelných rokov v strede galaxie M87, ktorá je však omnoho hmotnejšia, až 6 500 000 000-krát viac ako Slnko. Vďaka tomu je uhlová veľkosť horizontov udalostí oboch dier rádovo podobná, majú podobné uhlové priemery na oblohe. Všetci sme čakali, že čierna diera v strede našej galaxie bude tou prvou odfotografovanou. Lenže vedecký tím nakoniec ohlásil obrázok druhej čiernej diery. A to preto, lebo zmeny jasnosti plynu v jej okolí sú pomalšie. Bolo jednoducho ľahšie urobiť obrázok tejto čiernej diery. Ale určite sa veľmi skoro dočkáme aj obrázka čiernej diery z našej Galaxie.

Prvá fotografia supermasívnej čiernej diery,...
Prvá fotografia supermasívnej čiernej diery, ktorú priniesol tím vedcov z EHT. Autor: EHT

Takže toto je len začiatok?

Tento obrázok získali už v apríli 2017. Odvtedy prebehli ďalšie pozorovacie kampane, ktoré zahŕňali aj ďalšie ďalekohľady, napríklad v Grónsku. Môžeme sa tešiť na ostrejšie obrázky, kde bude horizont udalostí ešte lepšie vyobrazený. A takisto sa môžeme tešiť na obrázky čiernych dier z ďalších galaxií, napríklad zo súhvezdia Andromeda, ale aj v iných blízkych galaxiách, ktoré majú masívne čierne diery.

Ako tento objav zapôsobil na vás?

Na tomto prípade je úplne fascinujúce to, že Albert Einstein odvodil všeobecnú teóriu relativity len s pomocou papiera a ceruzky. Z týchto rovníc vyšlo, že vo vesmíre môžu existovať singularity – extrémne objekty, v ktorých sa zrúti samotný priestor a čas. Dlhú dobu boli tieto objekty považované za akési výplody teoretických fyzikov, ktoré majú s realitou málo spoločného. Dokonca ešte aj pred 25 rokmi, keď som sa ako žiak základnej školy fascinovaný čiernymi dierami a Hawkingovou Stručnou históriou času pýtal na tieto objekty jedného astronóma, povedal mi, že je to hlúposť. Že čierne diery neexistujú.

Pochybovali viacerí?

Nie, už pred 25 rokmi to bol skôr menšinový pohľad. Existencia čiernych dier bola už v tom čase všeobecne prijatá, i keď nie úplne každým. Dnes však máme nezvratný dôkaz ich existencie. Tým definitívnym dôkazom bol objav gravitačných vĺn.

To bolo už pred tromi rokmi, v septembri 2016…

Áno a tvar týchto gravitačných vĺn presne zodpovedal teoretickému opisu zrážky dvoch čiernych dier. Najnovší obrázok horizontu udalostí však definitívne dokázal aj existenciu supermasívnych čiernych dier. Už dlhší čas sme mali nepriame dôkazy z pohybov hviezd, že takéto supermasívne čierne diery sa nachádzajú v strede skoro každej galaxie. Rastú spolu s nimi, majú obrovský dosah na vývoj samotných galaxií.

Ako vznikli?

To je stále záhada. Poznáme dve teórie. Prvá, ktorá je pravdepodobnejšia, hovorí o tom, že vznikli v ranom vesmíre. Keď po veľkom tresku existoval len vodík a hélium, z plynových mračien vznikali hviezdy, ktoré mali hmotnosť niekoľkostonásobne vyššiu ako Slnko. Hmotné hviezdy vznikali v najhustejších miestach raného vesmíru a napokon sa zrútili do čiernych dier. A tie rástli zrážkami s ďalšími čiernymi dierami. Keď sa totiž dve čierne diery zrazia, splynú do jednej, ktorá je ešte hmotnejšia. Ich hmotnosť rástla aj preto, lebo vznikali v miestach, kde bolo veľmi veľa plynu a požierali ho. Dnes vieme, že miliardu rokov po veľkom tresku existovali čierne diery, ktoré mali hmotnosť niekoľkomiliár­dnásobne vyššiu ako Slnko. A to je problém.

Prečo?

Pretože stále ide o veľmi krátku dobu, aby týmito zrážkami a požieraním plynu nadobudli takúto obrovskú hmotnosť. Možno to príroda naozaj zariadila práve takto, ale je to skutočne krátka doba. Druhá teória, na ktorej sa v súčasnosti pracuje, naznačuje, že sa veľmi hmotné molekulárne mračná zrútili priamo do čiernej diery. Ale fyzikálne vlastnosti tohto mračna by museli byť vyladené, aby k tomu naozaj došlo. Možno k tomu vo vesmíre v zriedkavých prípadoch skutočne dochádza, ale zrejme takýto pôvod nemá každá supermasívna čierna diera.

Galaxia Messier M87, v ktorej strede vedci...
Galaxia Messier M87, v ktorej strede vedci odfotografovali supermasívnu čiernu dieru. Autor: ADAM BLOCK/MOUNT LEMMON SKYCENTER/UNIVERSITY OF ARIZONA

Na prednáškach prirovnávate čierne diery k tlčúcim srdciam galaxií. Aký je ich význam?

Začal by som tým, že skúmam supermasívne čierne diery v stredoch obrích eliptických galaxií. Jednou z nich, ktorej sa dodnes venujem, je práve galaxia M87, kde sa vedcom podarilo odfotografovať čiernu dieru. Tieto galaxie sú omnoho väčšie a hmotnejšie ako naša galaxia a nachádzajú sa v stredoch kôp galaxií. Lenže 90 percent vesmírnej hmoty nie je vo hviezdach a v galaxiách, ale v medzigalaktickom plyne, ktorý vypĺňa priestor medzi galaxiami. Má teplotu niekoľko desiatok miliónov stupňov. Vesmírna loď by tadiaľ mohla prejsť, pretože tento plyn je veľmi riedky, hustota energie je veľmi nízka. Horúci plyn postupne chladne, pretože do seba narážajú elektróny a ióny, vyžarujú pritom röntgenové žiarenie a my ho vďaka tomu vieme skúmať. Chladnúci plyn tvorí molekulárne mračná a z nich vznikajú hviezdy. Ak si spočítame, koľko plynu by malo v strede kôp galaxií každý rok vychladnúť, vyjde nám, že by tu malo dochádzať k intenzívnej tvorbe hviezd. Ale to sa nedeje. Tie obrie galaxie by mali byť podľa výpočtov desaťkrát väčšie, než čo vidíme. No nie sú. Takže niečo bráni tvorbe hviezd. Vo väčšine obrích eliptických galaxií sa zastavila tvorba hviezd pred vyše desiatimi miliardami rokov.

Sú za tým čierne diery?

Prirovnám to ku kondenzácii vodných kvapiek v zemskej atmosfére. Keď medzigalaktický plyn začne chladnúť, vytvorí akoby kvapky, ktoré padajú do stredu galaxie. No ešte predtým, ako by z týchto kvapiek mohli vznikať nové hviezdy, chladný plyn spadne do blízkosti čiernej diery. Vyžiari sa obrovské množstvo energie, ktorá ten plyn zohreje a zastaví chladnutie. Potom sa znova ochladí, znova padá k čiernej diere, tá ho opäť zohreje. Ide o periodický jav, ktorý sa opakuje zhruba každých desať miliónov rokov a ktorý bráni tomu, aby v strede najväčších galaxií vo vesmíre, ale aj v strede kôp galaxií dochádzalo k tvorbe hviezd.

Čo sa deje dnu v čiernej diere?

To neviem. Som astrofyzik pozorovateľ, ktorý vidí len po horizont udalostí. To, čo sa deje za ním, je práca pre teoretických fyzikov.

Pútavý obraz čiernej diery priniesol film Interstellar, vychádzali vtedy zo zložitých simulácií. Podarilo sa im priblížiť realite?

Ten obrázok je veľmi dobrý. Jedným z producentov filmu bol americký teoretický fyzik Kip Thorne. Dostal Nobelovu cenu za fyziku za objav gravitačných vĺn. Veľmi si dal záležať na tom, aby bola čierna diera zobrazená čo najvernejšie. Takže si myslím, že ak by sme mali takú kozmickú loď, ktorá by nás dokázala prepraviť do stredu obrej galaxie k okraju supermasívnej čiernej diery, videli by sme niečo podobné tomu, čo je vo filme.

A čo sa stane s čiernou dierou?

S tým súvisí prelomový objav Stephena Hawkinga zo 70. rokov 20. storočia. Dovtedy si vedci mysleli, že hmotnosť čiernych dier môže iba narastať. Stephen Hawking však prišiel s teóriou, že čierne diery sa môžu aj odparovať. Hovorí sa tomu Hawkingovo žiarenie. Toto odparovanie je však veľmi pomalé. Mohlo by byť významné, ak by vo vesmíre existovali akési mikroskopické čierne diery. No o tých žiaden dôkaz neexistuje. Možno však zohrá svoju rolu o trilióny rokov, keď bude vesmír taký starý, že v ňom bude veľmi málo medzihviezdneho materiálu, ktorý by mohli čierne diery pohltiť, a budú sa už len odparovať.

Môže byť čierna diera v strede Mliečnej cesty bránou do inej galaxie?

To nevieme. Existuje koncept takzvaných červích dier, na ktorom sa podieľal aj Kip Thorne. Vypracoval ho podrobne pre amerického astronóma Carla Sagana, ktorý vtedy písal knihu Kontakt. V rovnomennom filme cestuje hlavná hrdinka práve pomocou týchto červích dier. Ale existujú vážne pochybnosti o tom, že by bol takýto spôsob cestovania pomocou červích dier skutočne možný.

Vedci čoskoro prinesú aj fotografiu čiernej...
Vedci čoskoro prinesú aj fotografiu čiernej diery, ktorá sa nachádza v strede našej Galaxie, Mliečnej cesty. Autor: eso/S. Brunier

Prečo Einstein neveril v existenciu čiernych dier, hoci teória relativity ich predpovedala?

Nie som si istý, či ich celkom odmietal, alebo bol skôr iba skeptický voči tomu, že ich raz budeme takto pozorovať. Je to podobné ako s gravitačnými vlnami. Einstein vedel, že existujú. Ale v tom čase neveril tomu, že ich raz budeme vedieť odmerať. Pretože k detekcii gravitačných vĺn musíme merať škály miliónkrát menšie, ako je veľkosť atómového jadra.

Uplynulý týždeň sa však neniesol iba v znamení čiernej diery. Podarili sa ďalšie významné veci. Deň pred Svetovým dňom letectva a kozmonautiky mala pristáť na Mesiaci izraelská sonda Beresheet. Izrael by sa tak pridal k Rusku, USA a Číne, ktorým sa to už podarilo. Sonda nakoniec do mesačného povrchu narazila, no aj tak hodnotia odborníci tento počin ako mimoriadny. Prečo?

Je na to viac dôvodov. Tým prvým je fakt, že išlo takpovediac o amatérsky projekt. Neviedla ho žiadna z vesmírnych agentúr alebo nejaká krajina, hoci v závere doň vložila peniaze izraelská vláda. Bola to súkromne vyvíjaná kozmická loď. Google ešte pred mnohými rokmi vyhlásil cenu Google Lunar XPRIZE. Získal by ju tím, ktorému by sa podarilo poslať sondu na Mesiac. Pristála by, prešla by sa po povrchu a poslala na Zem obrázky s vysokým rozlíšením. Projekty sa rozbehli v Izraeli, USA, v Nemecku a v ďalších krajinách, no Google túto cenu nakoniec zrušil. Aj keď viackrát predlžovali konečný termín, žiadnemu tímu sa nepodarilo ani len vyštartovať. Izraelský tím však dostal nakoniec peniaze od izraelskej vlády, sondu dokončili a vyštartovala vo februári tohto roka ako sekundárny náklad na rakete Falcon 9.

Čo zabránilo úspešnému pristátiu?

Sonda posielala pekné obrázky, ako sa blíži k povrchu, ale v poslednom momente došlo k chybe hlavného motora. Aj napriek tomu, že sa rozbila, ide o veľký úspech. Beresheet znamená v hebrejčine na počiatku. Izrael už oznámil, že stavia druhú sondu, kde však už Izraelská vesmírna agentúra (ISA) bude zohrávať väčšiu úlohu.

Tento projekt však zrejme nie je počiatkom iba pre Izrael.

V blízkej budúcnosti pribudnú ďalšie súkromné sondy, ktoré poletia na Mesiac. Podobné snahy chce podporiť aj NASA. Ak chce dnes nejaká univerzita, výskumný ústav alebo bohatý jednotlivec niečo poslať na Mesiac, za kilogram na súkromnej sonde zaplatí 1,2 milióna dolárov.

Minulý týždeň sa podaril úspešný štart aj pristátie rakety Falcon Heavy, najťažšej, akou ľudstvo dnes disponuje. Čo tento úspech znamená?

Raketa Falcon Heavy prvýkrát štartovala vo februári minulého roka. Vyvíjala ju spoločnosť SpaceX. Na nízku obežnú dráhu dokáže vyniesť 50 až 60 ton užitočného nákladu, čo je najviac zo všetkých rakiet. Vývoj stál asi 600 miliónov dolárov, ktoré zaplatila spoločnosť SpaceX, nie daňoví poplatníci. USA vyvíjajú raketu SLS (Space Launch System), ktorá by mala byť schopná vyniesť náklad k Mesiacu. Dosiaľ do nej investovali vyše desať miliárd dolárov. No odhaduje sa, že konečná suma bude až 15 miliárd dolárov. Konečná verzia SLS by mala byť schopná vyniesť dvojnásobok nákladu v porovnaní s Falcon Heavy, ale za omnoho viac. Jeden štart Falcon Heavy stojí asi 90 miliónov dolárov a umožní nám vysielať do vesmíru omnoho väčšie a ťažšie družice a observatóriá. A za oveľa nižšie náklady, ako to umožňovali predošlé rakety.

Vrátia sa ľudia vďaka rakete Falcon Heavy na Mesiac?

Americký viceprezident Mike Pence vyhlásil, že USA sa chcú vrátiť na Mesiac do päť rokov. Toto si vyžaduje rakety, ktoré sú schopné vyniesť veľký náklad. Raketa Falcon Heavy to dokáže a je hotová. Raketa SLS ešte nie je dokončená a nebude hotová ani na budúci rok. Preto si myslím, že Falcon Heavy zohrá dôležitú úlohu v návrate na Mesiac. Navyše, táto raketa dokáže vyniesť sondu k Jupiterovmu mesiacu Europa, ktorú vyvíja NASA.

Čiernu dieru skúmalo viacero teleskopov naraz,...
Čiernu dieru skúmalo viacero teleskopov naraz, vrátane teleskopu na južnom póle. Autor: wikipedia.org/amble

Čím to je, že sa SpaceX darí?

Táto spoločnosť robí jednu výbornú vec. Buduje nadšenie pre vesmír. Inovuje rakety. Falcon 9 a Falcon Heavy sú úplne novým typom rakiet. Veď rakety, na akých sa doteraz lietalo, pochádzajú technologicky zo 60. rokov minulého storočia. Takisto raketa Sojuz, ktorá je veľmi spoľahlivá, je založená na tých istých technológiách ako raketa R7, na ktorej letel Gagarin. Riaditeľ spoločnosti Arianespace tvrdil, že nebude možné postaviť rakety, ktoré sa vrátia späť, že sú to len sny Elona Muska. Ale v SpaceX to dokázali. Podarilo sa im výrazne znížiť cenu za cesty do vesmíru a sprístupniť ich pre entity a štáty, pre ktoré to dosiaľ nebolo možné. Nuž a to nadšenie pre vesmír a kozmonautiku je v súčasnosti najväčšie, aké tu bolo od 60. rokov. Keď sa pozriete na zábery zo štartov SpaceX, vidíte samých mladých ľudí, ktorí sú tesne po skončení vysokej školy, tridsiatnici alebo mladé talenty. Ľudia, ktorí majú obrovské nadšenie a dokážu tvrdo pracovať.

Ako pokračuje váš výskum kozmickej pavučiny?

Veľké nádeje sme vkladali do družice Hitomi s citlivým röntgenovým spektrometrom, najväčšej a najambicióznejšej vedeckej družice, akú kedy postavila Japonská agentúra na prieskum vesmíru (Japan Aerospace Exploration Agency). Štartovala 16. februára 2016. Bol som v takzvanom First Light (prvé svetlo) tíme v Japonsku, keď prichádzali dáta z prvých pozorovaní. No už 26. marca sme s družicou stratili spojenie. Kvôli technickému problému so stabilizáciou sa družica rozrotovala a rozpadla. Takže misia sa, žiaľ, skončila 40 dní po štarte, no stihla urobiť jedno významné pozorovanie kopy galaxií v Perzeovi. Z tohto pozorovania sme publikovali dva články v Nature a ďalších asi 15 článkov. Aj napriek krátkej životnosti sa ukázalo, že röntgenová spektroskopia s vysokým rozlíšením je veľmi silnou metódou pre výskum vesmíru. Japonsko plánuje vypustiť ďalšiu takúto družicu v roku 2022. Podobnú plánuje vypustiť aj Európska vesmírna agentúra, ale až niekedy po roku 2030.

V čom môžu tieto pozorovania posunúť naše poznanie?

Ako som už spomenul, len desať percent hmoty sa nachádza vo hviezdach a v galaxiách. Väčšina hmoty sa nachádza vo forme plynu, ktorý vypĺňa medzigalaktický priestor. Na to, aby sme pochopili, ako sa náš vesmír vyvíjal, nestačí, keď budeme poznať fyzikálne vlastnosti iba tej časti hmoty, ktorá sa ocitla vo hviezdach. Musíme spoznať aj fyzikálne a chemické vlastnosti medzigalaktického plynu. A aj to, akým spôsobom ovplyvňujú supermasívne čierne diery vývoj galaxií. Ten obraz tlčúcich sŕdc galaxií je veľmi zjednodušený. Je v ňom množstvo detailov, ktoré potrebujeme pochopiť.

Ako si poradíte bez družice Hitomi?

Existujú ešte aj iné družice od NASA. No odkedy som sa vrátil z USA do Európy, začal som sa zaoberať aj vývojom nanosatelitov – CubeSatov pre astrofyziku. Pomocou nich plánujem zachytiť záblesky žiarenia gama. Tieto záblesky vznikajú napríklad pri zrážkach neutrónových hviezd alebo pri vzniku čiernych dier. Naším cieľom je zachytiť gama záblesk, ktorý prichádza spolu s gravitačnými vlnami. Toto dokážeme detegovať s malými družicami, ktoré majú len 30 či dokonca len desať centimetrov. Nanosatelity umožnia robiť výskum, ktorý bol doteraz možný len na veľkých a drahých družiciach.

O koľko je to lacnejšie?

Veľké kozmické observatórium Fermi od NASA, ktoré má na palube detektor gama žiarenia, stálo približne 700 miliónov dolárov. Flotila nanosatelitov sa dá postaviť za menej ako desať miliónov. Hoci nie je to celkom fér porovnanie, pretože družica Fermi umožňuje aj ďalší výskum.

Kedy by ste chceli vypustiť prvý nanosatelit?

Optimistický termín je koniec budúceho roka. Môj tím v Budapešti pracuje na vývoji celej flotily takýchto satelitov na nízkej obežnej dráhe, ktorými by sme vedeli monitorovať neustále celú oblohu. Prvý CubeSat, na ktorom otestujeme náš detektor a elektroniku, vyrába na Slovensku tím, ktorý sa podieľal aj na prvej slovenskej družici.

Norbert Werner.
Norbert Werner. Autor: Peter Jančárik

Norbert Werner (38)

astrofyzik

  • Venuje sa astrofyzike vysokých energií, pozoruje tie najhorúcejšie miesta vo vesmíre.
  • Podieľal sa na objavoch horúceho plynu a tmavej hmoty vo vláknach, ktoré spájajú zhluky galaxií.
  • Skúmal vplyv aktivity supermasívnej čiernej diery v strede galaxie M87, ktorej fotografiu nedávno priniesli vedci z EHT.
  • V súčasnosti vedie na Univerzite Loránda Eötvösa v Budapešti medzinárodný tím vedcov, ktorí skúmajú vývoj obrích eliptických galaxií a tiež, akú úlohu v tom zohrávajú supermasívne čierne diery.
  • Skúmajú aj chemické zloženie medzigalaktického plynu.
  • Pôsobí tiež ako docent v Ústave teoretickej fyziky a astrofyziky Masarykovej univerzity v Brne.
  • Narodil sa v Rožňave, študoval fyziku na Prírodovedeckej fakulte Univerzity Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach, navštevoval oddelenie medziplanetárnej hmoty Astronomického ústavu SAV vo Vysokých Tatrách.
  • Pôsobil v Holandskom ústave pre výskum vesmíru a doktorát získal na Utrechtskej univerzite v Holandsku, neskôr pracoval osem rokov v Ústave časticovej astrofyziky a kozmológie na Stanfordovej univerzite v USA.

© AUTORSKÉ PRÁVA VYHRADENÉ

#vesmír #čierna diera #astronómia
Sleduj najnovšie články na našom Facebooku
22,99
Jarona 13

Jarona 13

33,99
Elite červené ruže

Elite červené ruže

Ponuky zo Zľavy.Pravda.sk