Černé díry jsou častým terčem obav a často jsou obviňovány z potenciálních katastrofických scénářů, které by mohly ukončit lidskou civilizaci, či dokonce existenci planety Země jako celku. Tyto myšlenky se objevovaly v nedávné minulosti zejména v souvislosti se spuštěním urychlovače částic LHC v CERNu na hranici Švýcarska a Francie. [1].

Centimetrová černá díra by naše Slunce pohltit nemohla, a to z prostého důvodu, že se velmi pravděpodobně takové černé díry v našem vesmíru nevyskytují, protože jinak bychom už nějakou takovou objevili. Velmi malé černé díry však mohou hypoteticky existovat, objevují se dokonce i představy, že by mohly být v jádrech některých hvězd. Nicméně jde o černé díry, které jsou řádově menší a mají rozměr v řádu milimetrů, či spíše mikrometrů.

Historie černých děr

Ideu podobnou černým dírám představili již v 18. století francouzský matematik P. S. Laplace [2] a anglický astronom J. Michell, kteří si představovali hvězdy s tak silnou gravitací, že z nich nemůže uniknout ani světlo. Jejich hypotéza se soustředila jen na hvězdy, chyběl zde klíčový gravitační kolaps, jímž černá díra vzniká.

Na jejich ideje navázali fyzikové ve 20. století, zásadní nástroj poskytla Einsteinova obecná relativita. První významné řešení vypracoval Schwarzschild [3], ale nebylo zcela pochopeno ani autorem samým, takže černé díry předpověděli až ve 30. letech američtí fyzikové J. R. Oppenheimer a H. Snyder [4]. Je ironií osudu, že tento významný článek tehdy zapadl, neboť vyšel 1. září 1939, tedy v den, kdy Německo napadlo Polsko, čímž začala 2. světová válka.

Nejplodnější období teorie černých děr přišlo v 60. a 70. letech, kdy klíčové práce předložili R. Kerr [5], R. Penrose [6] či S. Hawking [7]. Ve stejné době se podařilo najít první černou díru, Cygnus X-1 [8], již lze pozorovat díky tomu, že přetahuje hmotu ze sousední hvězdy.

Poslední klíčové období pro černé díry přišlo po roce 2015. Povedlo se definitivně prokázat existenci supermasivních černých děr, hlavně objektu Sagittarius A* v centru Mléčné dráhy [9] a objektu v centru eliptické galaxie M87, jejichž blízké okolí zobrazily rádiové observatoře projektu Event Horizon Telescope [10]. Další zásadní přínos umožnily gravitační vlny. Díky nim jsme poprvé přímo pozorovali srážky černých děr a ověřili některé jejich vlastnosti [11].

Typy černých děr

Černé díry běžně rozdělujeme podle velikosti do čtyř základních kategorií. Nejběžnější a také první objevené jsou tzv. hvězdné černé díry, které vznikly kolapsem hmotných hvězd. Tyto černé díry mají hmotnost v řádu jednotek až nižších desítek hmotností Slunce (M_S).

V jádrech většiny galaxií naopak sídlí supermasivní černé díry, jež vykazují hmotnost v rozmezí jednotek milionů až desítek miliard hmot Slunce. Například Mléčná dráha má v jádře černou díru Sagittarius A* o hmotnosti 4,2 milionů M_S [12]. Zajímavé je, že vznik těchto velkých černých děr dosud není uspokojivě vysvětlen, byť se domníváme, že to zřejmě bylo díky vzájemným srážkám menších černých děr.

Mezi oběma zmíněnými kategoriemi jsou ještě středně velké černé díry, jež mají hmotnosti v rozmezí stovek až stovek tisíc hmot Slunce. Existence těchto černých děr byla definitivně potvrzena až v posledních letech, a to mimo jiné právě díky gravitačním vlnám. Observatoře LIGO v USA a italská observatoř Virgo totiž zachytily několik černých děr s hmotností více než sto hmot Slunce. V tuto chvíli drží hmotnostní rekord v této střední kategorii černá díra objevená v roce 2023, která má hmotnost 225 M_S [13].

Velmi malé černé díry

Posledním typem jsou malé tzv. prvotní černé díry, které možná vznikaly při bouřlivých procesech v raném vesmíru. Některé teorie jejich existenci předpovídají, ale dosud nebyly pozorovány [14]. Sem spadá i černá díra o velikosti 1 cm, přičemž velikostí černé díry běžně chápeme rozměr horizontu událostí, tedy oblasti, z níž už nemůže uniknout nic, ani světlo [15].

Nemohou ovšem existovat libovolně velké černé díry této kategorie. Horní limit je obvykle stanovován na asi 10²⁰ kilogramů, jelikož takto hmotné a hmotnější černé díry bychom už měli být schopni se současnými technologiemi detekovat díky tomu, že by svou gravitací ohýbaly a zesilovaly světlo hvězd Mléčné dráhy. Naopak spodním limitem jsou hmotnosti kolem 10¹¹ kilogramů, protože tyto černé díry by již měly zaniknout [16].

Vypařování černých děr

Jak by ale mohly zaniknout, když víme, že černé díry jen rostou a nemůže z nich nic uniknout? Inu, ukazuje se, že přece jen něco z černých děr unikat může. V 70. letech přišli fyzikové J. Bekenstein [17] a S. Hawking [18] s tím, že černé díry mohou ztrácet hmotu díky tepelnému záření, které je dnes známé jako Hawkingova radiace [19]. Zjednodušeně si to lze představit tak, že v oblasti blízko horizontu událostí vznikne pár tvořený částicí a antičásticí. Jedna z částic pak spadne pod horizont, tedy do černé díry, zatímco druhá odletí pryč od černé díry. Analogicky si lze představit i to, že se částice kvantově protuneluje (díky zákonům kvantové mechaniky se částice může dostat skrze bariéry, které by dle zákonů klasické fyziky neměla překonat) nad horizont [20]. Tím se černá díra postupně zmenšuje, až nakonec zcela zanikne v jasném záblesku gama záření, což bychom mohli pozorovat.

Pro hvězdné a supermasivní černé díry je vypařování velmi pomalý proces – jakákoliv známá černá díra dosud roste a její vypaření by trvalo 10⁷⁰ nebo více let [21]. Jiná je ovšem situace u malých černých děr. Pro ty, které mají hmotnost pod 10¹¹ kg, je čas nutný k vypaření nižší než současný věk vesmíru, takže by již neměly existovat. Černé díry kolem této hmotnostní hranice by se pak měly vypařovat právě v současné době, což by nám mohlo umožnit jejich detekci. Řada pozorovacích programů po nich pátrá, zatím však neúspěšně [22].

Extrémně velké a extrémně malé primordiální černé díry

Černá díra o hmotnosti 10¹² kilogramů by měla průměr horizontu jen asi 10⁻¹⁵ metru, to je zhruba na úrovni velikosti atomového jádra. V otázce zmíněná centimetrová černá díra by byla bilionkrát větší a co do hmotnosti by dokonce převážila celou naši planetu Zemi, jejíž hmotnost je 5,9 × 10²⁴ kg. A to je více než výše uvedený limit, takže podobně velkou černou díru bychom už měli objevit [23]. Je tedy velmi pravděpodobné, že černé díry těchto rozměrů neexistují, proto nemohou ohrozit ani nás, ani naše Slunce.

Mohly by však existovat menší černé díry. Byly by pro nás nebezpečné? Ty opravdu malé ne. Pokud by urychlovač LHC stvořil černou díru, její hmotnost by byla jen 10⁻²³ kg, čemuž odpovídá čas odpaření 10⁻⁸⁴ s. Tato černá díra by zanikla dříve, než by stihla dorazit třeba jen ke stěně urychlovače. Obavy z černých děr vzniklých na LHC jsou proto neopodstatněné.

Mají černé díry vlasy?

U stále miniaturních, ale hmotnějších černých děr už by to mohl být větší problém. Fyzikálně jsou černé díry jednoduché objekty, lze je kompletně popsat jen s pomocí tří vlastností: hmotnosti – M, momentu hybnosti (rychlost rotace) – J a elektrického náboje – Q. Jakákoliv další vlastnost (např. geometrie, to je jak černá díra vypadá) je těmito třemi parametry jednoznačně určena. Tomu se říká no-hair theorem, tedy volně přeloženo by se dalo říci, že černé díry nemají vlasy [25].

Termín vymyslel J. Bekenstein na základě toho, že černá díra neodhaluje nic o objektech, jež do ní vstoupily. Slovo vlasy je zde metaforou pro fyzikální vlastnosti (jiné než tři uvedené výše), které by vystupovaly zpod horizontu a napovídaly něco o hmotě, která černou díru stvořila, nebo kterou černá díra pohltila. Pokud má černá díra stejné M, J a Q jako jiná černá díra, je od ní principiálně nerozlišitelná, i kdyby vznikla z úplně jiného typu objektu.

U černých děr se velmi uplatňují slapové síly vznikající v důsledku toho, že gravitační pole není v celém jejich tělese konstantní. Například pokud by člověk padal do černé díry, na jeho nohy by díky tomu, že černé díry mají extrémně silnou gravitaci, působilo větší tíhové zrychlení než na jeho hlavu. Tyto síly dokáží spolehlivě ničit objekty na obrovské vzdálenosti [25]. Astronauta by natáhly jako špagetu, proto se tomuto procesu říká špagetifikace [26]. Navíc obecně platí, že u menších černých děr jsou slapové efekty silnější než u děr větších.

Co by malá černá díra udělala s člověkem?

Nedávno byla zveřejněna studie, která zkoumá efekty průchodu malé černé díry lidským tělem [27]. Největší slapové síly jsou velmi blízko díře samotné, takže pokud by byla dostatečně malá, nemusel by průlet skrz tělo zanechat vážné následky. Největší problém by nastal, kdyby proletěla hlavou, tam by mohla poškodit citlivé buňky mozku, ale na vážnější poškození jinde na těle či smrt by byla potřeba černá díra o hmotnosti asi 10²⁰ kg.

Ale to bohužel není jejich jediný efekt. Pokud by vámi taková černá díra prošla, způsobila by rázové vlny, které by měly vliv na buňky a tkáně. Na zabití by stačila černá díra o hmotnosti 10¹⁷ kg, na větší poškození už 10¹⁴ kg. Bát se ale nemusíte – i pokud takové černé díry existují, pravděpodobnost, že někoho zasáhnou, je velmi nízká.

Vliv malých černých děr na hvězdy a planety

Velmi malé černé díry by Zemí nebo Sluncem proletěly, v nejhorším případě by narazily na pár atomů a zase odletěly pryč bez jakýchkoli negativních důsledků. Jak jsme si už řekli, slapové efekty jsou omezené vzdáleností a hustotní vlny by zde nevadily. Pokud by se taková černá díra pohybovala dosti pomalu, mohlo by ji Slunce zachytit. S. Hawking navrhl, že Slunce by mohlo ukrývat takovou černou díru [29]. I pokud by tomu tak bylo, nemělo by to pro Slunce zvlášť negativní důsledky. Pokud byste zadali podobný dotaz umělé inteligenci a ta vám předložila nějaký obzvlášť katastrofický scénář, nevěnujte tomu přílišnou pozornost.

Ještě jsme si totiž neřekli o jedné zajímavé a obvykle netušené vlastnosti gravitace. Máme-li dané množství hmoty (například o hmotnosti 10¹⁷ kg), z pohledu gravitačního vlivu na vzdáleného pozorovatele je jedno, v jaké formě se tato hmota vyskytuje. Je-li pozorovatel vně objektu a pokaždé v téže vzdálenosti od něj, působí na něj objekt vždy stejnou gravitační silou, a to ať jde o kupu uhlí, velký kámen, neutronovou hvězdu, či černou díru.

Občas se totiž objevují mylné představy, že když se hvězda zhroutí do černé díry, začne náhle působit na své okolí silněji. Nicméně tak tomu není. Kdyby se Slunce zhroutilo do černé díry, mělo by velikost jen 3 km, ale na ostatní tělesa Sluneční soustavy by působilo stále stejně. Planety a planetky by dál obíhaly kolem něj, jako by se nic nestalo. Z tohoto nepochopení mohou vycházet i domněnky, že by malá černá díra mohla pohltit Slunce.

Hvězdy s malou černou dírou ve středu, nazývané někdy Hawkingovy hvězdy, jsou překvapivě stabilní. Taková hvězda by byla na první pohled nerozpoznatelná od běžné hvězdy, a to i kdyby její černá díra měla hmotnost Merkuru. Černá díra by se usadila ve středu hvězdy a vytvořila by kolem sebe prázdnou oblast, protože všechen okolní materiál by pozřela. [30]. Ovlivňovala by konvekční vrstvu (vrstva v níž se teplo šíří prouděním, podobně jako třeba když ohříváme vodu v hrnci na plotně) v nitru hvězdy, jinak by však žádný zásadní vliv neměla. Dala by se ale poznat díky sledování hvězdných otřesů, což se odborně nazývá asteroseismologie.

Od běžných hvězd by se taková hvězda s černou dírou uvnitř začala výrazně odlišovat až v pozdních fázích svého vývoje, kdy by získávala na jasnosti. Na černou díru by také mohl ukazovat jistý typ pulzace a proměnnosti. Abychom však mohli říci něco konkrétnějšího, bylo by potřeba provést více numerických simulací zahrnujících více variant ohledně různé hmotnosti a metalicity (zastoupení těžších prvků) hvězd. Dobrá zpráva je, že kdyby šlo vše skvěle, mohla by tento typ hvězd objevit evropská sonda PLATO určená primárně k výzkumu exoplanet (planet mimo Sluneční soustavu), která by měla startovat v roce 2026 [31]. Očekáváme, že by Hawkingovy hvězdy mohla najít zejména v kulových hvězdokupách a trpasličích galaxiích.

U kamenných planet a planetek je situace odlišná, jelikož jde o pevná tělesa. Také s nimi by malé černé díry mohly interagovat, a to tím způsobem, že by skrz ně volně procházely. Při průchodu by tedy v materiálu vytvořily přímý tunel. Kupříkladu černá díra o hmotnosti miliontiny hmoty Slunce by vytvořila tunel o průměru 0,1 mikrometru. Takový tunel by byl rozpoznatelný mikroskopem. Nicméně četnost srážek těles s černými dírami těchto velikostí (i pokud existují) je velmi malá, takže sledovat tyto události v reálném čase v podstatě nelze. Místo toho fyzikové navrhují prozkoumat stovky milionů či miliardy let staré horniny a hledat v nich stopy po případných průchodech černých děr [32].

Shrnutí

Malé černé díry mohou teoreticky existovat, zatím je však nikdo nikdy neviděl. Ovšem i pokud existují, zřejmě neexistují černé díry o velikosti 1 cm, popřípadě jsou extrémně vzácné. Centimetrová černá díra by dokázala zabít člověka, pokud by se srazila s jeho tělem, celé Slunce by ale zlikvidovat nedovedla.

Pro Zeptej se vědce odpovídal Vítek