Pozoruhodný fenomén sa odohráva na horizonte udalostí čiernej diery.
V roku 2015 vedci objavili čiernu dieru s názvom CID-947, ktorá je takmer 7 miliárd ráz hmotnejšia ako naše Slnko. To ju radí medzi najmasívnejšie objavené čierne diery. Zdroj: NASA
Začiatkom sedemdesiatych rokov Stephen Hawking sformuloval teoretický koncept, v ktorom predpokladá, že všetky čierne diery sa vyparujú. Tie veľké pozvoľna, malé rýchlo.
Génius bez Nobelovej ceny
Známemu britskému teoretickému fyzikovi Stephenovi Hawkingovi nikdy neudelili Nobelovu cenu. Jeho verejné prednášky i napriek tomu priťahovali obrovské publikum, neraz aj mimo vedeckej komunity. Geniálna myseľ fyzika dokázala formulovať odvážne teórie a poskytla novátorský pohľad na fenomény kozmológie tam, kam sa ostatní zdráhali pozrieť.
Hawking zomrel v skorých ranných hodinách 14. marca 2018 v anglickom meste Cambridge vo veku 76 rokov. Keď mu ako 21-ročnému diagnostikovali amyotrofickú laterálnu sklerózu, vtedajšia prognóza znela skľučujúco: zostávali mu dva až tri roky života.
Svojmu ochoreniu čelil viac ako polstoročie. Za ten čas vytvoril dielo, ktoré v mnohom predstavuje revolučné myšlienky. Jednu z nich publikoval pred 50 rokmi. Renomovaný vedecký časopis Nature uverejnil 1. marca 1974 jeho článok s originálnym názvom Black hole explosions?
Uznávaný teoretický fyzik Stephen Hawking zmenil náš pohľad na vesmír svojimi pozoruhodnými teóriami. Zdroj: NASA
Čierne diery v ohrození
Fenomén čiernych dier neprestáva udivovať ani po viac ako dvoch storočiach od ich prvej zmienky. Sú to masívne objekty s povesťou nemilosrdných požieračov, ktoré sú výsledkom kolapsu extrémne hmotných telies. V istom zmysle predstavujú ich finálne štádium. Ako však môžu zaniknúť samotné čierne diery?
Najzaujímavejšiu hypotézu sformuloval v roku 1974 lucasovský profesor fyziky a matematiky Stephen Hawking. Stala sa známou ako Hawkingovo žiarenie alebo Hawkingova radiácia. Pozoruhodné na nej je, že vyvrátila zaužívanú predstavu o čiernych dierach, z ktorých nič nemôže uniknúť.
Čo odhrýza z čiernych dier?
Hawkingov teoretický koncept zjednodušene hovorí o tom, že v určitom bode časopriestoru sa objaví virtuálny pár častíc. Ak je takýmto bodom horizont udalostí čiernej diery, môže sa stať, že jeden z členov dvojice do nej spadne, kým druhý unikne. Hawking hovoril o fotónoch s pozitívnou a negatívnou energiou.
„Tie, čo idú do nej, majú zápornú energiu a postupne odhrýzajú z hmotnosti čiernej diery, takže sa postupne vyparuje,“ vysvetlil slovenský teoretický fyzik a popularizátor vedy Samuel Kováčik.
Pozorovateľovi v dostatočnej vzdialenosti od čiernej diery sa môže zdať, že z nej unikajú častice.
Jednotlivé štádiá premeny hviezdy s názvom N6946-BH1 na čiernu dieru. Bola 25-krát hmotnejšia ako naše Slnko. V roku 2009 sa začala slabo rozjasňovať. V roku 2015 sa zdalo, že prestala existovať. Výskumníci nakoniec dospeli k záveru, že sa musela stať čiernou dierou.
Cenné zdroje inšpirácie
Hawking vo svojej práci prepojil kvantovú teóriu, ktorá opisuje svet na mikroskopickej škále, so všeobecnou teóriou relativity, ktorá sa zaoberá objektmi a javmi makrosveta.
Pri formulovaní hypotézy vychádzal z prác svojich kolegov: austrálskeho teoretického fyzika Brandona Cartera, amerického fyzika Jamesa Maxwella Bardeena a britského matematika Rogera Penrosa, ktorý sa v roku 2020 stal nositeľom Nobelovej ceny za fyziku za predpoveď vzniku čiernych dier.
Hlavným zdrojom inšpirácie a podnetom na premýšľanie sa pre Hawkinga stal najmä objav izraelského teoretického fyzika Jacoba Davida Bekensteina. V roku 1972 ako prvý predpokladal, že čierne diery majú entropiu.
„Entropia je miera neusporiadanosti, pojem, ktorý sa dovtedy objavoval hlavne v termodynamike,“ uviedol Kováčik. „ Ak majú čierne diery entropiu, nemali by mať aj teplotu?“ naznačil Kováčik.
Práve Bekensteinova entropia akcelerovala Hawkingove úvahy o teplote čiernych dier.
Ako rýchlo sa vyparí čierna diera?
Čierna diera – inak nazývaná aj gravitačný kolapsar – s hmotnosťou niekoľkých Sĺnk by mala mať teplotu asi milióntinu stupňa nad absolútnou nulou. Platí tu nepriama úmera. Najvyššiu teplotu by podľa tohto predpokladu mali mať miniatúrne čierne diery. Z hľadiska životnosti to však nepredstavuje žiadnu pridanú hodnotu.
„Známe čierne diery majú zanedbateľne nízku teplotu. Malé by však žiarili jasne, lebo na ich horizonte je silná povrchová gravitácia. Produkovali by, aspoň podľa Hawkingovej teórie, svetlo prakticky neobmedzených energií,“ ozrejmil Kováčik „Novší výskum, ktorého časť som robil aj ja, ukázal, že ak by mal priestor kvantovú štruktúru, Hawkingovo žiarenie dá isté obmedzenia a stlmí jeho teplotu, už nebude ľubovoľne energetické.“
Čím menšie, tým rýchlejší zánik
Iným prípadom sú malé čierne diery, ktoré mohli existovať a zároveň aj rýchlo zaniknúť v obrovskej explózii v raných štádiách vývoja vesmíru.
„Tie veľké stíhajú rýchlejšie naberať hmotu absorbovaním toho, čo do nich padá. Je to podobné, ako keby ste chceli chudnúť a za každý spravený drep si dáte za odmenu tortu. Tie malé neprijímajú nič, na druhej strane spaľujú šialene rýchlo,“ vysvetlil Kováčik.
Podľa Hawkingovej teórie sa odparujú všetky čierne diery, ibaže za rozličný čas.
Vizualizácia čiernej diery s vysvetlením jej jednotlivých súčastí. Zdroj: NASA
Chýbajú priame dôkazy
Prečo Hawkingovi neudelili Nobelovu cenu? Dôvodov je niekoľko a jeden z nich opísal aj on sám vo svojej najznámejšej knihe Vesmír v orechovej škrupinke.
„Bolo by možné zachytiť žiarenie z omnoho menších a horúcejších čiernych dier, ale nezdá sa, že takých je okolo nás veľa. Škoda. Ak by aspoň jednu niekto objavil, dostal by som Nobelovu cenu,“ napísal Hawking.
Žiaľ, jednou z podmienok udelenia Nobelovej ceny je, že nositeľmi sú iba žijúci ľudia. Na druhej strane stále ešte nie je potvrdená existencia Hawkingovho žiarenia, hoci sa to v roku 2019 podarilo skupine izraelských fyzikov prostredníctvom analogických testov.
Hľadanie stôp
Keďže emisia častíc unikajúcich z čiernych dier by bola extrémne slabá a ťažko detegovateľná z veľkej diaľky, priame dôkazy o existencii Hawkingovho žiarenia vedcom chýbajú.
Najbližšie k jeho potvrdeniu bola v roku 2019 skupina izraelských vedcov na čele s Jeffom Steinhauerom. Tí zistili, že žiarenie z analogicky vyzerajúcej čiernej diery má tepelné spektrum.
Tím vedcov na izraelskom inštitúte Technion v Haife vytvoril zvukovú čiernu dieru a následne pozoroval, že sa na zvukovom horizonte vytvárali dvojice fonónov (častica zvukového poľa).
Po ohlásení výsledkov sa objavili nielen nadšenci, ale aj skeptici. Jedným z nich je fyzik James Anglin z univerzity v nemeckom Kaiserslauterne. Steinhauerovmu experimentu vyčíta sterilné podmienky bez akýchkoľvek efektov, ktoré by v pozorovanom systéme mohli napáchať škody zaujímavé z hľadiska výskumu.
Záblesk v temnotách
Ďalšou stopou by mohli byť žiarivé záblesky, ktoré by emitovala čierna diera po svojom zániku. Tie vedci zatiaľ nenašli.
„Je však možné, že proces vyparovania sa skončil už v ranom vesmíre, potom asi budeme odkázaní na nepriame dôkazy alebo môžeme dúfať v presnejšie meracie zariadenia,“ uviedol Kováčik.
Myseľ nad hmotou
V roku 1966 Hawking získal doktorát z kozmológie. Jeho dizertačná práca s názvom Vlastnosti rozpínajúceho sa vesmíru je v súčasnosti voľne dostupná širokej verejnosti. Bola zverejnená šesť mesiacov pred jeho smrťou.
Súhlas so sprístupnením dal počas života samotný Hawking a odôvodnil ho týmito slovami: „Ktokoľvek kedykoľvek na svete by mal mať voľný, neobmedzený prístup nielen k môjmu výskumu, ale aj k výskumu každej veľkej a zvedavej mysle v celom spektre ľudského poznávania. Každá generácia predsa stojí na pleciach tých, ktorí boli pred nimi.“
Zdroj:
Physicsworld, Guardian, Stephen Hawking: Vesmír v orechovej škrupinke
