Zadání domácího úkolu
Téma vaší ročníkové eseje zní: ČERNÉ DÍRY.
Formu zpracování nechám na vás, ale minimálně polovina bude pojata vědecky, druhou polovinu můžete zpracovat uměleckou formou.
Minimálně 9 palců.
Vypracování
Krásný den, slečno Ní. :)
ČERNÉ DÍRY
V celém nám známém vesmíru se nachází jediné místo, kde přestávají platit všechny fyzikální zákony “našeho” světa. Libovolný předmět by měl na takovém místě nekonečnou hmotnost, pomyslná kalkulačka by jako výsledek příkladu 1 + 1 nikdy neukázala 2 a vlastně nic, co známe, by na tomto místě nedávalo smysl. Tyto vesmírné objekty se nazývají “černé díry”.
Černá díra je magičtější než jakékoliv kouzlo, ale stejně tak je to vlastně docela obyčejné těleso, jako jsou hvězdy nebo planety. Jeho gravitační pole je však nesmírně silné. Tak silné, že z něj nedokáže uniknout ani světlo. Samotná černá díra má svou přesně definovanou hranici, tzv. horizont událostí. Přes něj může světlo vniknout dovnitř, ale ven už nemůže. Mimo to má ještě jeden významný prvek. Ten se nazývá singularita a je to bod, ke kterému všechno, co do černé díry vnikne, nakonec dospěje. Je to bezrozměrný bod s nekonečnou hustotou, místo, kde už neplatí vůbec žádné fyzikální zákony.
V centrech galaxií číhají monstra - supermasivní černé díry, jejichž hmotnost se pohybuje mezi 105 až 1 010 hmotností našeho Slunce. Jednu takovou máme v naší Mléčné dráze, další leží v eliptické galaxii M87 asi 50 milionů světelných let od nás v souhvězdí Panny. Vzhledem ke své velikosti (má hmotnost 6,5 miliard Sluncí) je černá díra M87 oblíbeným cílem astronomických pozorování. Navíc je velmi aktivní - každý den pohltí hmotu rovnající se 90 Zemím.
Nenasytnost je při pozorování černých děr výhodou. Kolem aktivní černé díry se totiž tvoří tzv. akreční disk z materiálu, který se díra chystá pohltit. Materiál se přitom zahřívá podobně, jako když třením rukou vzniká teplo. V okolí černé díry se ale hmota pohybuje téměř rychlostí světla a zahřívá se na miliony stupňů Celsia. Vydává tak velké množství záření, které můžeme sledovat prostřednictvím teleskopů. Toho využil i projekt Event Horizon Telescope, v rámci kterého se v roce 2019 podařilo získat vůbec první snímek černé díry.
Vyšší velikost: První “fotografie” černé díry
Na vyfotografování supermasivní černé díry v galaxii M87 v projektu Event Horizon Telescope pracovalo osm velkých radioteleskopů - v Arizoně, Chile, Mexiku, Španělsku, na Havaji a na Antarktidě. Radioteleskopy pracovaly společně, takže vytvořily jakousi virtuální anténu o velikosti celé Země. Vědci je přitom pomocí atomových hodin synchronizovali tak, aby všechny současně zabíraly stejný kousek oblohy.
Radioteleskop samozřejmě není žádný fotoaparát, místo s viditelným zářením pracuje s milimetrovými vlnami, které mají blíž k rádiu než k něčemu, co by zaznamenávalo lidské oko. Snímek supermasivní černé díry M87 je proto počítačově složený z dat, která vědci získali. Právě potřeba skládat data dohromady je jedním z důvodů, proč astronomové dali při pozorování černé díry přednost radioteleskopům před klasickými optickými dalekohledy. Data z více teleskopů se totiž lépe spojují dohromady v oblasti milimetrových vln než v oblasti viditelného záření.
Snímek černé díry v galaxii M87, který obletěl celý svět, tedy není skutečnou fotografií. Na půvabu a vědeckém významu mu to ale neubírá. Oranžový prstenec, který na něm vidíme, je tvořený žhavou hmotou, která krouží okolo temných “úst” černé díry předtím, než bude pohlcena. Astronomové jim přezdívají Brána do pekla. Jejich tvar odpovídá siluetě horizontu událostí.
Černá díra nám může přinést mnohá překvapení. Většinou jsou spojena se znalostmi, které nám přináší Einsteinova teorie relativity. Naše představy o světě jsou ovlivněny tím, jak se nám jeví náš “prostoročas”, který je trojrozměrný, tj. vymezený třemi na sobě kolmými osami x, y a z a časem plynoucím stále vpřed. To všechno platí i pod horizontem událostí, ale poněkud zkresleně. Díky teorii relativity jsme schopni vysvětlit a představit si děje, které probíhají i v blízkosti těchto neuvěřitelných objektů. Jak však rychle poznáme, slovo “představit si” někdy není úplně přesné. Osy, které známe z geometrie z mudlovské školy, vypadají v blízkosti černé díry jinak. Kdybychom seděli v černé díře s pravítkem, nikdy bychom podle něj nenarýsovali rovnou čáru. Kdybychom měli trojúhelník a změřili jeho vnitřní úhly, součet by nikdy nedával 180 stupňů, jak nás učí zákony matematiky.
Opravdové divadelní představení by však začalo, kdyby se třeba naše nebelvírská Skylar rozhodla do černé díry skočit. Nebylo by to pro ni nic příjemného. V okamžiku, kdy by se vydala na cestu do černé díry a proletěla horizontem událostí (toho by si u velkých černých děr ani nemusela všimnout), by jen chvíli na to skončila v singularitě. Zde by se jí čas úplně zastavil a přestal by existovat, její tělo by se rozpadlo na elementární částice a pohroužilo do bezrozměrné singularity s nekonečnou hustotou.
Podívejme se na takový let podrobněji.
Představme si černou díru 10 x hmotnější než naše Slunce. Taková černá díra má průměr asi 60 km. Skylar se vydává na cestu. Ve vzdálenosti 15 000 km od černé díry si poprvé uvědomuje, že se s ní začíná dít něco divného. Pohybuje se k díře ve směru svých nohou a začíná se jí zdát, že na ni působí nějaká zvláštní síla. Jsou to slapové síly. Takové, které u nás na Zemi způsobují příliv a odliv. Tady působí jinak. Protože má Skylar k černé díře nohy blíž než hlavu, působí na ně větší gravitační síla, a proto se jí zdá, jako by ji někdo za nohy tahal a postupně ji roztahoval. Rozdíl mezi silami, které jí působí na hlavu a na chodidla, činí v této vzdálenosti asi 1/8 zemské gravitační síly. To je ještě snesitelné. Mnohem nepohodlnější už to je ve vzdálenosti 8 000 km. Tady již Skylar pociťuje sílu působící na chodidla 4 x větší než na hlavu. A ve vzdálenosti 3 000 km už ji zvědavost zcela opouští a raději se z dosahu černé díry vrací. Rozdíl sil 15 G je již neúnosný. Je to stejné, jako kdyby visela za ruce a na nohy si nechala zavěsit závaží 15 x těžší, než váží ona sama!
Představme si však vytrvalého průzkumníka, který se rozhodne pokračovat. Jen o několik metrů dál začne pociťovat, jak je jeho tělo natahováno a jak se prodlužuje. To vše ustane až po průchodu horizontem událostí. Jen pár okamžiků na to skončí v singularitě. Z pohledu pozorovatele však celá situace vypadá úplně jinak. Našemu průzkumníkovi ubíhá čas na stejných hodinách, jaké máme i my, úplně normálně. Pro nás však bude jeho cesta trvat nekonečně dlouho. Jak se bude blížit k černé díře, bude se nám zdát, jako by byl jeho pohyb stále pomalejší a pomalejší. Kdybychom se s badatelem domluvili, že bude každou sekundu vysílat signály, budou k nám chodit se stále větším zpožděním. To proto, že světlo, které k nám od něj přichází, ztrácí energii díky obrovské a stále se zvětšující gravitaci. A signál, který badatel vyšle v okamžiku, kdy bude prolétávat horizontem, se k nám dostane v nekonečném čase. Prakticky to znamená, že nikdy neuvidíme, jak badatel do černé díry spadne, stejně jako je pro nás nemožné sledovat, jak dosáhl horizontu událostí.
Vyšší kvalita: Špagetifikace
Radiová mapa oblohy od Karla Janskeho a Groteho Rebera ze 30. let 20. století ukázala, že nejsilnější zdroje rádiového záření v Mléčné dráze se nacházejí v souhvězdí Střelce (často označovaném jeho latinským názvem Sagittarius). Tam ve vzdálenosti 25 000 světelných let leží střed naší Galaxie.
Ovšem ve viditelném světle dohlédneme pouze kolem 1 000 světelných let, protože mezihvězdný prostor je plný prachu z hvězd. Naštěstí je prach průhledný pro infračervené a rádiové záření, takže s jejich pomocí můžeme nahlédnout až do středu Galaxie.
Směrové rozlišení prvních radioteleskopů nebylo příliš precizní. Dokázaly nám prozradit jen tolik, že v souhvězdí Střelce leží silný radiový zdroj - Sagittarius A, neboli zkráceně Sgr A. Brzy bylo zřejmé, že Sgr A se skládá z několika rozdílných objektů včetně mlhovin a pozůstatků supernov. Radioastronomové zjistili, že Sgr A se dělí na dvě silně zářící oblasti s rozdílnými vlastnostmi, které pojmenovali Sagittarius A Východ a Sagittarius A Západ. První jmenovaná oblast je pravděpodobně pozůstatek supernovy, zato západní část zůstávala dlouho velkou záhadou. Má složitý spirální tvar a svou polohou spadá do oblasti naší Galaxie s nejvyšší hustotou hvězd. Radioastronomové tuto skutečnost interpretovali tak, že Sgr A Západ je středem naší Galaxie. Když roku 1959 Mezinárodní astronomická společnost jednala o zavedení souřadného systému pro celou Galaxii, byl tento bod zvolen jako výchozí.
Protože struktura Sgr A Západ je velmi komplikovaná, bylo obtížné ji prozkoumat. V únoru 1974 Bruce Balick a Robert Brown zmapovali tuto oblast pomocí dvou 35 km vzdálených radioteleskopů z Národní radioastronomické observatoře v Green Banku. Radioteleskopy byly zapojeny jako interferometry a objevily jasný bodový zdroj v centru. Ze svých pozorování vyvodili, že je bodový zdroj nějakým způsobem “fyzikálně spojený s Galaktickým centrem (vlastně ho definuje)”. Robert Brown proto tento zdroj pojmenoval Sagittarius A*, zkráceně Sgr A*.
S rozvojem velkých teleskopů a detektorů optimalizovaných pro použití v infračervené části spektra bylo možné pořídit infračervené fotografie jádra Galaxie. Na nich jsou zachyceny hvězdy, mezihvězdný prach a plyn v centrálním regionu o rozloze 30 světelných let. V nejbližším okolí středu je navíc tzv. cirkum-nukleární disk z prachu. Ten obklopuje hvězdokupu se Sgr A* ve svém středu.
Německý astronom Reinhard Genzel a americká astronomka Andrea Ghez z Kalifornské univerzity se svými týmy sledovali pohyb těchto hvězd kolem Sgr A*. V posledním desetiletí trpělivě snímali hvězdy pomocí teleskopů Evropské jižní observatoře v Chile a Keckovým teleskopem na Havajských ostrovech. Využívali moderní techniku stabilizace obrazu pomocí tzv. adaptivní optiky, aby překonali chvění hvězd způsobené zemskou atmosférou.
Podařilo se jim zaznamenat i velmi malé změny v polohách hvězd. Také zjistili, že hvězdy z hvězdokupy kolem Sgr A* obíhají rychlostmi až 1 400 km/s. Znalost pohybu hvězd nám umožňuje určit hmotnost hvězdokupy - 3 miliony hmotností Slunce. Jelikož hvězdokupa čítá přibližně pouhých 100 hvězd, musí být za její obrovskou hmotností zodpovědný Sgr A* sám. Jediný známy objekt, který dokáže být tak malý a hmotný zároveň, je černá díra. V centru naší Galaxie tedy obíhají hvězdy kolem supermasivní černé díry.
Vyšší kvalita: Sagittarius A
Porovnáme-li černou díru z naší Galaxie s typickým kvazarem či ostatními aktivními galaxiemi, nejeví se nám příliš jasná. Zatímco supermasivní černé díry v aktivních galaxiích jsou jedny z nejvzdálenějších objektů, které pozorujeme (a musí být tudíž neobyčejně svítivé), nalézt černou díru v naší Galaxii nebyl jednoduchý úkol. Nemůže svou jasností ani v nejmenším soupeřit s objekty, jako je kvazar 3C 273 nebo galaxie M87.
Jedním z důvodů je menší hmotnost černé díry ve středu Galaxie v porovnání s ostatními superhmotnými černými dírami. Dalším důvodem je i to, že na ni padá pouze málo materiálu. V cirkum-nukleárním disku pozorujeme prázdná místa. Srážka mezihvězdných mračen sice způsobuje pád hmoty směrem k Sgr A*, ale pouze malý pramének materiálu se k ní přiblíží a rozzáří se. Černá díra v naší Galaxii tedy zůstává po většinu času v hlubokém spánku.
Zdroj: napříč mudlonetem
Moc Vám děkuji za skvělý rok! Astronomie ve Vašem podání byla naprostou úžasná, dozvěděla jsem se spoustu nových věcí a další a další jsem díky Vašemu předmětu a úkolům zjistila jinde. Doufám, že se mi podaří dokončit druhý stupeň, abych se s Vámi mohla znovu setkat ve stupni třetím. :)
Mějte se krásně!
Princess Star :)
