a) História čiernych dier
Čierne diery sa zrodili z rovníc teoretickej fyziky ako
hypotetické, virtuálne objekty, ktorých gravitačná sila je taká veľká, že z
nich nedokáže uniknúť ani svetlo. Za otcov čiernej diery sa považujú Angličan
John Mitchell a Francúz Pierre-Simon Laplace. Obaja naprojektovali čiernu dieru
(prvý v roku 1793, druhý o dva roky neskoršie) ako výsledok logickej
extrapolácie Newtonových gravitačných zákonov a korpuskulárnej povahy svetla.
Ich „čierne teleso“ sa dostalo do histórie vedy až vtedy, keď Einstein dokázal,
že Newtonov gravitačný zákon neplatí v podmienkach extrémne hustej hmoty a jeho
teóriu o korpuskulárnej povahe svetla museli moderní fyzici zásadne revidovať.
Súčasné predstavy o
čiernej diere odvodil Robert Oppenheimer z Einsteinovej všeobecnej teórie
relativity. Z Einsteinovych rovníc vyplýva, že ak je hmota dostatočne hustá,
jej gravitácia dokáže eliminovať všetky ostatné efekty a vytvorí priestor, z
ktorého ani hmota ani svetlo nemôžu uniknúť. Názov „čierna diera“ po prvýkrát
použil astrofyzik z Princetonu John Wheeler. Vo svojej prednáške z roku 1967
označil takto oblasť, z ktorej neuniká ani svetlo.
b) Vznik čiernej diery
Termín čierna diera vznikol celkom nedávno ako opis predstavy, ktorá je stará už najmenej dvesto rokov. V tomto období nebolo ešte celkom jasné akú má svetlo povahu. Dnes už ale vieme, že svetlo má vlastnosti vĺn aj častíc. Preto bude gravitácia na svetlo vplývať rovnako ako napríklad na delové gule, rakety alebo planéty. Vďaka gravitácii by bolo možné, aby sa svetlo z dostatočne silného gravitačného poľa vôbec nedostalo von. Teraz sa pokúsim zodpovedať na otázku, ako môže vzniknúť takéto gravitačné pole a z neho čierna diera. Predstavme si hviezdu o hmotnosti približne desaťkrát väčšej akú ma naše Slnko. Počas svojho života, čo je asi iba miliarda rokov, produkuje teplo. Vzniknutá energia stačí na to, aby hviezda odolávala zrúteniu vplyvom vlastnej gravitácie. Takýto rovnovážny stav bude mať asi päťnásobný polomer Slnka. Úniková rýchlosť z povrchu takéhoto telesa bude okolo 1000 km/s. To znamená, že objekt vystrelený z povrchu hviezdy rýchlosťou menšou ako 1000 km/s po čase opäť spadne naspäť. Objekt pohybujúci sa väčšou rýchlosťou unikne z gravitačného poľa do nekonečna. . Keď hviezda vyčerpá svoje palivo, nebude mat čo pôsobiť proti tlaku hviezda sa bude pod vplyvom vlastnej gravitácie rútiť do seba. Postupným zmenšovaním gravitačné pole hviezdy rastie a úniková rýchlosť sa zväčšuje. Rýchlosť svetla (asi 300 000 km/s) dosiahne, keď bude mať polomer 30 km. V takomto stave už nebude môcť z jej povrchu uniknúť ani svetlo, a keďže sa nič nemôže pohybovať rýchlejšie ako svetlo, tak ani nič iné z hviezdy neunikne. Vďaka tejto vlastnosti si "naša malá" hviezda vyslúžila pomenovanie čierna diera.
c) Tvar čiernej diery
Hranica medzi čiernou dierou a zvyškom vesmíru sa nazýva horizontom udalostí. Táto hranica je virtuálna, netvorí ju nijaká hmota. Hranica udalostí je podstate hypotetická šupka v istej vzdialenosti od centra čiernej diery. Táto vzdialenosť je tým väčšia, čím väčšia je hmotnosť čiernej diery. Čokoľvek čierna diera nasaje pod horizont udalostí, nadobro zmizne z vonkajšieho vesmíru. Ak hmota, z ktorej čierna diera vznikla, nerotovala, jej hmotnosť sa skoncentruje v strede objektu. Ak rotovala, čo je oveľa pravdepodobnejšie, potom by mala vytvoriť prstenec pod horizontom udalostí.
Akrečný disk hustého plynu obiehajúci čiernu dieru. Odtiene chladných
farieb (vľavo) označujú plyn, ktorý sa blíži k pozorovateľovi, odtiene teplých
farieb (okolo čiernej diery a vpravo) zviditeľňujú vzďaľujúci sa plyn. Okraj
čiernej diery sa nazýva horizont udalostí. Uprostred je nekonečne hustá
singularita.
Čierne
diery nevidíme, pretože svetlo z nich neuniká. Ako teda vieme, že naozaj
existujú? Pretože vidíme, ako pôsobia na hmotu v okolí: na gigantické oblaky
plynu a hviezdy. Gravitačný rukopis čiernej diery si nemôžeme pomýliť s nijakým
iným telesom. Astronómom sa pomocou Hubblovho teleskopu a ďalších výkonných
prístrojov podarilo počas uplynulých dvadsiatich rokov identifikovať veľké
množstvo čiernych dier, pričom ich počet z roka na rok narastá. Niektoré z nich
vznikli po kolapse masívnych hviezd, ktoré mali prinajmenšom 8-násobnú hmotnosť
Slnka. Väčšina však vznikla už krátko po Big Bangu, po kolapse gigantických
oblakov plynu. Okolo týchto čiernych dier sa začali formovať galaxie. V roku
1997 astronómovia na základe napozorovaných údajov dospeli k záveru, že
supermasívne čierne diery tvoria jadro väčšiny z miliárd galaxií.
Teória sa potvrdila: v
posledných rokoch boli objavené supermasívne čierne diery v mnohých galaxiách.
Sú to s odstupom najhmotnejšie telesá vo vesmíre, niekoľkomilión – až
niekoľkomiliárdkrát väčšie ako naše Slnko. Čierne diery, ktoré vznikli po
kolapse masívnych hviezd, majú hmotnosť 3–50-krát väčšiu ako Slnko. Steven
Hawking navrhol aj tretí, doteraz neobjavený typ čiernej diery. Tieto
primordiálne či mini čierne diery sa teoreticky mohli sformovať na začiatku
času, keď sa z big bangu zrodil vesmír plný malých, ale superkomprimovaných
balíkov hmoty. Slovo malý je relatívne: miničierne diery mali podľa Hawkinga
hmotnosť od 1 gramu až po hmotnosť veľkej planéty.