Mají tak velkou gravitaci, že z jejich náruče neunikne ani světlo. Řeč je o černých dírách, u kterých přestává platit klasická fyzika. Vědci rozeznávají dva základní typy černých děr. Malé černé díry vznikají jako konečné stádium ve vývoji velmi hmotných hvězd. Hmotnost těchto černých děr se pohybuje od 5 do 60 Sluncí. Druhým typem jsou supermasivní černé díry, které se nachází v srdci galaxií a mají hmotnost 100 tisíc Sluncí a více.
Fascinující černá díra
Malé černé díry se mohou sloučit v jednu, čímž vznikne černá díra o větší hmotnosti. Vědcům se podařilo zachytit sloučení dvou černých děr s označením GW 190521 o hmotnosti 66 a 85 Sluncí. Výsledkem byla černá díra o hmotnosti 142 Sluncí, což je rekord. Až dosud se vědcům podařilo zachytit sloučení černých děr, které vytvořilo černou díru o hmotnosti maximálně asi 80 Sluncí.
Rekordní sloučení
Pozorný čtenář si možná všimne, že uvedená čísla trochu nesedí. A to hned ze dvou důvodů. Představte si, že si vezmete dvě kuličky z plastelíny. Jednu o hmotnosti 100 gramů a druhou o hmotnosti 150 gramů a spojíte je dohromady. Jakou hmotnost bude mít nová kulička? Ano, bude to 250 gramů.
Pokud sloučíte dvě černé díry o hmotnosti 66 a 85 Sluncí, měli byste dostat černou díru o hmotnosti asi 151 Sluncí. Jenomže ona má jen 142 Sluncí. Kam se podělo těch 9 Sluncí? Rozhodně nejde o zanedbatelné číslo. Jsou to asi 3 miliony Zemí!
Prostor a gravitační vlny
Tato hmotnost se přemění na něco, čemu vědci říkají gravitační vlny. Každý určitě zná vlny na vodní hladině. Ve formě vln se šíří také světlo, ale rozvlnit se může celý prostor. Gravitační vlny vznikají při vzájemném pohybu těles v gravitačním poli. Zjednodušeně řečeno: Vlny smršťují a zase natahují samotný prostor. Gravitační vlny jsou hodně slabé, takže pokud je chceme zachytit, musíme se spolehnout na ty nejextrémnější události v celém vesmíru – třeba na splynutí dvou černých děr.
Gravitační vlny z události GW 190521 k nám dorazily 21. května 2019, ale ke sloučení černých děr došlo mnohem dříve – před 7 miliardami let, tedy ještě před vznikem Sluneční soustavy! Tak dlouho trvalo vlnám, než k nám dorazily a to se přitom pohybují rychlostí světla.
Středně hmotné černé díry
Objev je ale zajímavý ještě z jednoho důvodu. Uvedli jsme, že malé černé díry mají hmotnost do 60 Sluncí. Obě pozorované černé díry měly ale před sloučením vyšší hmotnost. Vědci už delší dobu předpovídají černé díry o středně velké hmotnosti. Několik kandidátů už našli, ale tohle by mohl být jeden z nejlepších příkladů tohoto typu černé díry.
Vznik černých děr
Vědci se domnívají, že středně hmotné černé díry vznikají postupným slučováním malých černých děr a to například v hvězdokupách, ve kterých je velká koncentrace hvězd (a tedy teoreticky i budoucích černých děr). Je tedy možné, že minimálně jedna z pozorovaných černých děr se už dříve s nějakou jinou černou dírou sloučila.
Jak zachytit gravitační vlny
Zachytit gravitační vlny není vůbec snadné. Musíme změřit smrštění a natažení samotného prostoru. To zní dost šíleně, že? O objev se postaral přístroj LIGO, který zachytil i první gravitační vlny – teprve před čtyřmi lety, takže je to stále velmi mladý obor.
Anatomie černé díry:
Přístroj se skládá ze dvou podpovrchových tubusů o délce 4 km, které jsou v pravém úhlu. Z jednoho místa se vyšle laserový paprsek, který je zrcadlem rozdělen na dva. Každý z nich putuje do jednoho čtyřkilometrového tubusu. Na jeho konci je velké zrcadlo, od něhož se laserový paprsek odrazí a vrací se zpět do místa startu.
Tam by se měly oba paprsky znovu potkat a vzájemně se vyrušit. Pokud ovšem tunelem prochází gravitační vlna, prostor tunelu se smrští a zase natáhne. Dráha paprsku tak není ideální a paprsek dorazí na „setkání“ později. Detektor to dokáže zaznamenat.
Přístroje LIGO jsou dva a jsou od sebe vzdálené přes 3 tisíce kilometrů. Měření ze dvou míst zvyšuje věrohodnost pozorování a umožňuje také určit, odkud gravitační vlny přišly.
