K některým vlastnostem polí černých děr

Pracovník Ústavu teoretické fyziky Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy doc. RNDr. Oldřich Semerák, DSc., obhájil disertaci K některým vlastnostem polí černých děr před komisí Astronomie a astrofyzika a získal vědecký titul „doktor fyzikálně-matematických věd“. Ve své práci se zabývá studiem gravitačního a elektromagnetického pole černých děr s vnějšími zdroji a pohybem částic v těchto polích. Přínos jeho studie spočívá v rozšíření znalostí o prostoročasech, které obsahují černé díry obklopené hmotou, a v jejich fyzikální interpretaci.


Foto: Jan Žižka, Archiv autora

Páté číslo 56. ročníku amerického časopisu Physical Review vyšlo v pátek 1. září 1939; v Evropě právě začínala válka. Na straně 426 byl článek N. Bohra a J. A. Wheelera Mechanismus jaderného štěpení (!), na straně 455 článek R. Oppenheimera a H. Snydera O trvajícím gravitačním smrštění. V tom druhém autoři ukazují, že dostatečně hmotná hvězda se po vyčerpání termojaderné energie nutně gravitačně zhroutí. Pro vzdáleného pozorovatele její látka nikdy nepřekročí tzv. gravitační poloměr, úměrný obsažené hmotnosti, kdežto ze svého vlastního hlediska látka tímto poloměrem projde a v krátkém čase skončí v „singularitě“, kde je zničena. Vzniknuvší jednocestné hranici mezi „vnějším“ a „vnitřním“ světem se později začalo říkat horizont a oblasti uvnitř černá díra. Tyto prvky obsahovalo už statické řešení gravitačních rovnic, které našel K. Schwarzschild záhy po Einsteinově dovršení obecné teorie relativity v roce 1915. Téměř nikdo jim však nepřipisoval fyzikální význam – a nezměnilo se to ani po dynamickém výsledku Oppenheimera a jeho studenta. Trvalo ještě několik desetiletí, než se s obrazem gravitačního kolapsu fyzika smířila. Navíc se tou dobou její pozornost obrátila jinam – k jadernému štěpení a posléze i slučování…

Černé díry jsou nejvíce „ne-newtonovskou“ předpovědí obecné relativity; slouží jako test porozumění této teorii a také jako výzva ke hledání její kvantové verze. Zároveň se zdají být přirozeným vysvětlením některých významných astrofyzikálních zdrojů. Během 60. let 20. století vědci objevili nové, velmi energetické typy astrofyzikálních objektů – rentgenové zdroje, kvasary a pulsary. Jejich projevy svědčily o přítomnosti extrémně silných gravitačních polí. Taková budí jen černé díry nebo neutronové hvězdy, tedy objekty v kompetenci obecné relativity. Obnovený teoretický výzkum byl tímto observačním vývojem urychlen a většina studií z dnešní „klasiky“ o gravitačním kolapsu, černých dírách a prostoročasových singularitách pochází z 60. a 70. let. Předpovědi obecné relativity se rychle rozšířily do astronomické literatury a dnes je s nimi spojena převážná část astrofyziky vysokých energií.

Osamocené černé díry pozorovat nejde, avšak pokud interagují s látkou a poli, prozradí je rychle proměnné tvrdé záření. Právě díky jeho studiu sílí přesvědčení, že většina galaxií má ve svých jádrech černé díry o hmotnosti milionů až miliard sluncí, některé rentgenové dvojhvězdy černé díry o hmotnosti jednotek až desítek sluncí. „Univerzitní klasika“ ovšem zahrnuje izolované a stacionární černé díry nacházející se ve vesmírech, které se ve velkých vzdálenostech blíží nezakřivenému Minkowského prostoročasu. Černé díry diskutované v astrofyzice patrně nemají ani jednu z těchto vlastností. Ve většině situací černá díra ve svém blízkém okolí jasně dominuje, ale některé vlastnosti konfigurací, do nichž se typicky látka v okolí černé díry usazuje (zejména stabilita), jsou natolik citlivé na detailní průběh gravitačního pole, že mohou záviset i na gravitačním vlivu samotné této látky. Díky nelinearitě obecné relativity je však modelování interagujících černých děr obtížné, a to i ve stacionárním a vysoce symetrickém případě. Nejčastěji jsou studovány černé díry obklopené disky, prstenci a podobnými osově (a zrcadlově) symetrickými útvary. Na konfiguracích získaných řešením Einsteinových rovnic se dá sledovat, jaký vliv má interakce na disk/prstenec, ale také naopak na černou díru.

Vlastní gravitace látky v okolí díry má vliv také na pohyb dalších satelitů. Těžký disk či prstenec kolem černé díry v jádře galaxie by například „cítily“ hvězdy, které kolem jádra obíhají. Ukazuje se, že původně regulární dynamika volného pohybu kolem černé díry se v důsledku přítomnosti vnějšího zdroje stává chaotickou. To by mohlo mít významné důsledky pro dlouhodobý vývoj takového systému a mělo by se poznat i na elektromagnetickém a gravitačním záření, kterým o sobě systém dává vědět.

Pro astrofyziku jsou důležité jen procesy vně horizontu; černé díry ale mají i vnitřek. Vnitřek dynamický, velmi neintuitivní – a možná navždy tajemný. Zřejmě obsahuje oblast („singularitu“), pro jejíž popis bude třeba kvantové verze obecné relativity. Ale jak tato singularita vzniká a jaký je u obecných, interagujících děr její tvar? Skončí v ní všechna hmota, která do díry spadne? Je jisté, že z útrob černých děr nevedou spoje do jiných oblastí prostoročasu nebo do neznámých světů?

„Sci-fi“ otázky byly vždy v popředí zájmu o teorii relativity i jiné partie. Teoretikové však často hledí i zpět – k Einsteinovi, Riemannovi, Galileimu. Podobně jako tyto velikány je nepřestává udivovat „harmonie světa“, totiž jednoduchost a zároveň síla předpokladů, na nichž obecná relativita spočívá.

OLDŘICH SEMERÁK,
Ústav teoretické fyziky MFF UK