TLDR verze: Ne, černé díry nevidíme. Ale pořád značně ovlivňují své okolí. Jak reálně vypadá jejich výzkum? Hodil jsem řeč s mistryní z Akademie věd! Její ocenění tuna, můj rozhovor tuna, (ne)související studie zmiňovaná níže v článku tuna.

Teorie, simulace, observace

Nebudu kecat, s Petrou Sukovou jsem chtěl hodit řeč primárně kvůli jejímu ocenění pro mladé vědce (a vědkyně), které na konci loňského roku udílela Akademie věd. Floskule o tom, že studuje chování částic u černé díry byla příliš pábivá – nebylo totiž přesně jasné, vo co go, ale zároveň jsem chtěl vědět víc! Co přesně znamená studovat černé díry, když, jaksi, na Zemi nemáme po ruce skutečné reálné díry?

V první řadě, nepřekvapivě, to znamená hodně matematiky! Petra vystudovala teoretickou fyziku na MatFyzu, a jak sama říká, „už to napovídá, že spíše jsem přišla ze strany té teorie než experimentu jako takového.“ Mýlil by se ale ten, kdo by od teoretických rovnic čekal odtržení od praxe. Vědátoři zabývající se černými děrami se totiž snaží podpořit teoretické modely i skrze srovnání s experimentem anebo s pozorováními.

Pozorný čtenář se teď možná lekne – jak proboha lze na Zemi experimentovat s černými děrami? O první možnosti jsem psal už dříve. V laboratořích je možné provádět různé pokusy analogického charakteru. Takže sice třeba nenasimulujete gravitační horizont události, ale můžete provést akustickou variaci téhož. Ta matematicky vypadá velmi podobně či stejně, ale navíc neslupne planetu.

Druhou možností jsou observační srandy. Astronomie pozoruje nebe nejen v optickém, ale i rentgenovém záření, infračerveném spektru, sleduje gravitační vlny, detekuje neutrina. „To nám vlastně otevřelo nová okna a zjistili jsme, že ta obloha není tak nezajímavá a nudná, jak to vypadalo na začátku minulého století. Ale,  že se tam toho děje docela dost – a hodně energetických věcí,“ říká Petra.

Jak vyplynulo, právě snaha přiblížit teorie k tomu, co pozorujeme (tak či onak) a vice versa je pak denním chlebem i teoretických fyziků. A přináší i potenciální zjištění stran chování černých děr jako takových!

Nač to dělat jednoduše, když to jde i jinak!

„Víc a víc se ukazuje, že většina těch hodně energetických věcí, které vidíme ve vesmíru, je spojena buď s černými dírami anebo neutronovými hvězdami.“ I když neutronové hvězdy mnozí nevnímají jako bratříčky černých děr, nejen pro Petru Sukovou jde vlastně o sourozence.

Nejde ani tak o to, že oba takzvané kompaktní objekty vznikají při hvězdné smrti. Podstatnější je, že oba objekty se vyznačují extrémně zhuštěnou hmotou na malém prostoru. Gravitační pole kolem neutronové hvězdy je tak podobné gravitačnímu poli kolem černé díry.

V případě Petry to znamená propočítávat chování částic padajících z „normálního“ vesmíru právě do extrémních podmínek panujících na horizontu událostí černých děr či na povrchu neutronových hvězd.

Částicová cesta do srdce temnoty totiž není binární povahy – částice není v jeden okamžik v mezihvězdném prostoru, a hned poté uvnitř pasti singularity. Postupná změna podmínek při vstupu do gravitačního pole je pro teoretického fyzika velmi zajímavá. Může totiž sebou nést nečekané změny chování částic.

S výzkumem okolí černých děr začala Petra už na MatFyzu. „My jsme měli popsané to pole přesným řešením Einsteinových rovnic,“ říká, „To znamená, že to byla přesná superpozice té černé díry i disku (akrečního disku hmoty kolem ní), ale ve většině případů je ten disk testovací.“

Jak dodává, znamená to, že vědci obvykle neuvažují nad hmotou disku pro ovlivnění chování částice. Řešit Einsteinovy rovnice je totiž poměrně obtížné i bez podobných komplikací. Petra si však spolu se svými kolegy řekla „Ne!“ a modelovali pád testovací částice i přes modelový akreční disk!

Hvězda jako částice

„Pokud je ta černá díra osamocená a nerotuje, částice se chová regulérně – jak bychom očekávali,“ říká Petra Suková, „Ale pokud se tam přidá další zdroj gravitačního pole (čili akreční disk), začne se tam projevovat chaotické chování. To znamená, že například jejich trajektorie velmi závisí na počátečních podmínkách. To znamená, že i pokud jsou na začátku vedle sebe a mají skoro stejné rychlosti, tak potom ten vývoj může být velmi odlišný.“

Z toho pak můžou tanout i velmi praktické informace stran pozorování. Další výzkum Petry tak kráčel právě v korelaci svých teoretických poznatků přímo s astronomickými dat. „Sledovali jsme světelné křivky mikrokvasarů, neboli rentgenových dvojhvězd,“ říká Petra, „A v těch datech jsme hledali, jestli můžeme říct, že něco je šum nebo náhodná data, anebo jestli je v nich schovaná nějaká deterministická leč chaotická mechanika.“

Jedním z takových dynamických jevů, které můžou způsobovat změny jasností, je pak právě jejich okolí. Například v akrečním disku s nízkým momentem hybnosti kolem objektu může u světla u blízké hvězdy (v soustavě černá díra – hvězda) docházet na jakési šokové vlny. To má vliv na způsob, jakým hvězdu – a její okolí – pozorujeme na Zemi! I nejtitěrnější rozdíly v chování světla tak můžou být nositelem informace o místu, ze kterého vycházejí. A my díky tomu lépe poznáme podobné vzdálené končiny, aniž bychom k nim museli vysílat hvězdnou loď Enterprise!

„Co je zajímavé – když se to vezme pro případ supermasivních černých děr v centrech galaxií, a které mohou vážit miliony až miliardy hmotností,“ říká Petra, „Tak testovací částice může být celá hvězda. Akreční disk tak může způsobit, že i hvězda je na chaotické trajektorii a může mít nečekaný pohyb.“

Stále lepší poznání

Jedním z dalších míst, které naznačují nové horizonty propojování teorie a pozorování, je třeba studium kolapsarů. To jsou v zásadě kolabující hvězdy těsně před tím, než se zhroutí do černé díry. Je to právě onen okamžik zrodu, co zajímá fyziky. Jak vlastně probíhá? Co dělá s chováním hmoty? A co naopak pozorovat? Kolapsary můžou dle teorií například generovat dlouhé záblesky záření gama – a ty pak obratem můžou pozorovat i astronomové. Aha!

Kam to může vést, demonstruje i studie nejnovější, na níž se sice nepodíleli čeští vědci a vědkyně, ale rovněž studovala okolí černých děr. A provedla tak spojením teoretické části s částí observační. Tým William Alstona skrze sledování světelných „ozvěn“ v okolí černé díry dovedl získat přesnější měření hmotnosti a rotace gravitační singularity! Chleba levnější díky tomu nebude – ale daří se nám rozhodně výrazně zpřesňovat naše představy o tom, jak černé díry operují a jaký vliv mají na vesmír kolem sebe!

Platí totiž, že černé díry jsou jakýmisi motory vesmíru. Hmota do nich možná padá bez (pro nás) možnosti reálného návratu. Ale jakožto gravitační kotvy pomohly černé díry kumulaci hmoty kolem sebe a tak zřejmě i vzniku galaxií, jako je ta naše! Pro fyziku je přitom gravitační singularita velkým bolehlavem. Jde totiž jednak o astrofyzikální téma, tak i téma pro kvantovou fyziku. Přesnější studium černých děr je tak dobrou zprávou nejenom pro astrofyziky, ale i všechny, kteří touží po sjednocení různých oborů fyziky do jediné disciplíny!

„Co nás zajímá, je to, jakým způsobem ten chaos zkoumat,“ říká Petra Suková, „Teorie chaosu je velmi dobře ukotvená v klasické fyzice – tam je ale vlastně absolutní čas. Ale v relativistickém případě začínáme mít problémy, jak to celé definovat a studovat. Máme tu časoprostor, ten se může nějakým způsobem deformovat. A pak jeden výsledek, který v jedněch souřadnicích vypadá jasně, se pak při transformaci souřadnic zcela změní.“ [LL]

Celý rozhovor s Petrou Sukovou spolu s dalšími pikanteriemi a informacemi, jaký je český výzkum černých děr v mezinárodním kontextu, najdete na videu níže.

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, který tvoří přípravné testy pro studenty vysokých škol – podpořte i vy drobákem mojí snahu informovat o vědě věčně & vtipně a přispějte mi v kampani na Patreonu.A sledujte mojí snahu případně i na Facebooku či YouTube!