Student World

Černá díra je bez jakýchkoliv pochyb jedním z nejznámějších a nejpopulárnějších astronomických pojmů. Z hlediska fyziky se ovšem jedná také o pojem stále skrývající mnohá tajemství. Dvojice amerických vědců si nyní dokonce dovolila existenci černých děr úplně zpochybnit a jako jejich alternativu navrhla tzv. gravastary.

Existence černých děr vychází z řešení rovnic Einsteinovy teorie gravitace. Už v období první světové války ukázal německý astronom Karl Schwarzschild, že prostoročas kolem hmotného objektu by měl být zakřivený. Dojde-li ke stlačení hmoty velké hvězdy do oblasti o velmi malém poloměru, hustota a zakřivení prostoročasu se stanou nekonečnými a vznikne singularita.
Velké těžké hvězdy končí explozí supernovy, při které se jejich jádro zhroutí právě do takové singularity – černé díry. Síla gravitace neumožní uniknout z této díry žádné hmotě a dokonce ani záření. Obrovské černé díry o hmotnostech milionů Sluncí se rovněž předpokládají v jádrech galaxií.
Ač astronomové s existencí těchto objektů počítají, přímé důkazy pro ně zatím nemají. A ani ty nepřímé nejsou zcela přesvědčivé. Například rentgenové záření z centrálních oblastí galaxií způsobené hmotou padající do centra nemusí je nutně znamenat přímo existenci černé díry. Je pouze důkazem o existenci velmi hmotného objektu v jádře galaxie.
Teorie černých děr přináší i některé doposud těžko vysvětlitelné problémy, které vycházejí zejména z faktu, že skutečný vesmír se od toho Schwarzschildova liší. Je zde například problém s entropií černé díry nebo s nekonečnou energií fotonů padajících na horizont událostí. Uvnitř černé díry navíc neplatí známé fyzikální zákony.

Přiblížení teoretických koncepcí reálnému vesmíru se neobejde bez zahrnutí zákonů kvantové mechaniky do Einsteinovy teorie. Výsledkem bude zřejmě teorie kvantové gravitace, na které už dnes pracují největší mozky světové fyziky. Emil Mottola z Los Alamos National Laboratory a Pawel Mazur z University of South Carolina o této teorii přemýšlejí už téměř deset let. Výsledkem jejich výzkumu je alternativa k černým dírám. Touto alternativou jsou tzv. gravastary, objekty vyhovující všem nepřímým důkazům pro černé díry. Na rozdíl od nich se navíc nepotýkají s výše zmíněnými problémy.
Podle Mottolovy a Mazurovy hypotézy dojde při kolapsu hvězdy ke zhroucení kvantových fluktuací prostoročasu a výsledkem může být jeho radikální změna. Jedná se v podstatě o fázový přechod podobný přeměně vody v led. Vznikne kondenzovaná bublina obklopená tenkou sférickou obálkou tvořenou gravitační energií, která se objeví v místě, kde by se měl nacházet horizont událostí.
Podle Mottoly a Mazura jsou jejich gravastary stabilním řešením Einsteinových rovnic a na rozdíl od černých děr se nepotýkají s matematickými problémy. Entropie gravastaru není tak obrovská, jako je v případě černé díry, neexistuje singularita, kde neplatí fyzikální zákony, a ani horizont událostí, který uvězní veškerou hmotu uvnitř.
Autoři uvádějí příklad gravastaru o hmotnosti 50 Sluncí. Jeho obálka má – podobně jako horizont událostí černé díry – průměr 300 km. Její tloušťka je 10-35 metrů a hustota tak obrovská, že čajová lžička této hmoty váží 100 milionů tun. Teplota je přitom pouhých 10 miliardtin stupně nad absolutní nulou. Vše, co dopadá na tuto obálku, je v okamžiku kontaktu přeměněno na čistou gravitační energii.
Gravastary by mohly rovněž pomoci vysvětlit záblesky gama záření, nejenergetičtější procesy, které ve vesmíru nastávají. Autoři se dokonce pokoušejí i o důkaz myšlenky, podle které je celý náš vesmír jeden velký gravastar.
Gravastary se od černých děr navenek liší tím, že jsou mnohem "jasnější". Zatímco u černé díry je všechna hmota i záření uvězněna uvnitř, gravastar přemění dopadající hmotu na záření, kterému nic nebrání v úniku. Nedávno byl objeven zvláštní objekt, který by mohl být obří černou dírou. Problém je ovšem v tom, že v rentgenovém oboru spektra září mnohem více, než by měla zářit černá díra. Přebytek záření odpovídá 10 miliardám Sluncí. Podle Pawla Mazura je gravastar ideálním vysvětlením pro tento objekt.

Postoje ostatních vědců k této teorii jsou velmi rozdílné. Zatímco někteří z nich jsou nadšeni a považují ji za vynikající a brilantní, jiní pokládají existenci gravastarů za velmi nepravděpodobnou. Například Neil Cornish z University of Montana připouští nedostatky singularity černé díry, ale zároveň věří, že kvantová teorie gravitace tento problém vyřeší a pak gravastarů nebude už potřeba.
Jiní vědci se pozastavují nad možností vzniku tenké obálky při tak zničujícím procesu, jakým exploze supernovy bezesporu je. Domnívají se také, že gravastar se stejně nakonec zhroutí v černou díru. Mottola a Mazur ovšem trvají na stabilitě gravastarů. Připouštějí ovšem i to, že otázku jejich vzniku je nutno ještě vyřešit. Domnívají se, že je potřeba zkoumat, jak vlastně probíhá zmíněný fázový přechod při gravitačním kolapsu.

Sám Albert Einstein černým dírám příliš nevěřil. Pokud by se ukázalo, že je gravastary dokáží nahradit, nebylo by to rozhodně poprvé, kdy by se intuice velkého génia prosadila. Na konečné rozhodnutí je ovšem ještě brzy. Jak je vidět i teorie gravastarů potřebuje ještě dopracovat v řadě detailů. Každopádně se zde nabízí velmi zajímavá alternativa, jak vyřešit některé současné problémy spojené s černými děrami.

autor Pavel Koten