Mýlíme se v názoru na černé díry?

Černé díry nakonec nemusí mít singularity! Vědci zkoumají nové modely – včetně těch bez horizontů událostí – které zpochybňují klasickou fyziku. Díky pozorováním nové generace bychom mohli konečně nahlédnout, co se za nimi skrývá.

Einstein, Schwarzschild a zrod černých děr
„Hic sunt leones,“ říká Stefano Liberati, ředitel Ústavu pro fundamentální fyziku vesmíru (IFPU – Institute for Fundamental Physics of the Universe) a jeden z autorů nového článku publikovaného v časopise Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Tato latinská fráze, která znamená „zde jsou lvi“, se kdysi používala na starověkých mapách k označení neznámých nebo nebezpečných území. V tomto případě odkazuje na singularitu, která se podle předpovědi nachází ve středu tradičních černých děr, tedy těch, které popisuje Einsteinova obecná teorie relativity.

Abychom pochopili, proč je to důležité, je třeba se vrátit k původu této myšlenky. V roce 1915 představil Albert Einstein svou převratnou obecnou teorii relativity. Jen o rok později objevil německý fyzik Karl Schwarzschild přesné řešení Einsteinových rovnic a odhalil možnost existence objektů tak hustých, že jejich gravitačnímu sevření neunikne nic, dokonce ani světlo. To jsou černé díry, které známe dnes.

Koncept však od počátku vyvolával znepokojivé otázky. V 60. letech 20. století si vědci uvědomili, že podle matematiky se časoprostor v centru černé díry stává nekonečně zakřiveným. Tato „singularita“ znamená bod, kde se gravitace stává nekonečně silnou a známé fyzikální zákony přestávají platit. Pokud taková singularita skutečně existuje, znamenalo by to, že obecná teorie relativity, jedna z nejúspěšnějších teorií ve fyzice, za extrémních podmínek selhává. Pro mnoho fyziků je odkaz na „singularitu“ méně vysvětlením a více přiznáním: prostě ještě nechápeme, co se v jádru černé díry skutečně děje.

Problém singularity ve fyzice
Navzdory těmto teoretickým výzvám se od 70. let minulého století důkazy o existenci černých děr neustále rozšiřují. Významné průlomy – například první detekce gravitačních vln v roce 2015 a snímky černých děr z dalekohledu Event Horizon Telescope v letech 2019 a 2022 – nás přiblížily k přímému pozorování černých děr jako nikdy předtím. Tyto objevy byly dokonce oceněny Nobelovými cenami v letech 2017 a 2020. Přesto žádné z těchto pozorování nedokázalo potvrdit ani vyloučit existenci singularit. Co se skrývá v jádru černé díry, zůstává jednou z největších otevřených otázek ve fyzice.

Za horizontem událostí: Hledání odpovědí
A to nás přivádí zpět ke „lvům“, na které se Liberati odvolává: fyziku černých děr můžeme popsat pouze do určité vzdálenosti od středu. Pod touto hranicí leží tajemství – což je pro vědu nepřijatelná situace. Proto vědci již dlouho hledají nové paradigma, v němž by singularitu „vyléčily“ kvantové efekty, které musí gravitace v tak extrémních podmínkách vykazovat. To přirozeně vede k modelům černých děr bez singularit, jaké zkoumá ve své práci Liberati a jeho spolupracovníci.

Jedním ze zajímavých aspektů nového dokumentu je jeho společný vznik. Nejedná se ani o práci jedné výzkumné skupiny, ani o tradiční přehledový článek. „Je to něco víc,“ vysvětluje Liberati. „Vznikl na základě souboru diskusí mezi předními odborníky v oboru – teoretiky a fenomenology, mladšími a staršími vědeckými pracovníky – kteří se sešli během specializovaného workshopu IFPU. Článek je syntézou myšlenek prezentovaných a diskutovaných na těchto zasedáních, které zhruba odpovídají struktuře samotného článku.“ Podle Liberatiho spočívá přidaná hodnota v samotném rozhovoru: „Na několik témat měli účastníci zpočátku odlišné názory – a někteří z nich ukončili zasedání s alespoň částečně změněnými názory.“

Přehodnocení černých děr: Tři konkurenční modely
Během tohoto setkání byly nastíněny tři hlavní modely černých děr: standardní černá díra předpovězená klasickou obecnou relativitou, která má singularitu i horizont událostí; běžná černá díra, která singularitu eliminuje, ale horizont zachovává; a napodobenina černé díry, která reprodukuje vnější rysy černé díry, ale nemá ani singularitu, ani horizont událostí.

Článek také popisuje, jak by mohly vznikat běžné černé díry a jejich napodobeniny, jak by se případně mohly přeměnit jedna v druhou a hlavně jaké pozorovací testy by je jednou mohly odlišit od standardních černých děr.

Ačkoliv jsou dosud shromážděná pozorování průlomová, neříkají nám všechno. Od roku 2015 jsme detekovali gravitační vlny ze splynutí černých děr a získali jsme snímky stínů dvou černých děr: M87* a Sagittarius A*. Tato pozorování se však zaměřují pouze na vnější část – neposkytují žádné informace o tom, zda se v centru nachází singularita.

„Ale není vše ztraceno,“ říká Liberati. „Běžné černé díry, a zejména mimikry, nejsou nikdy přesně identické se standardními černými dírami – ani mimo horizont. Takže pozorování, která zkoumají tyto oblasti, by nám mohla nepřímo říci něco o jejich vnitřní struktuře.“

Úloha pokročilých přístrojů a experimentů
K tomu budeme muset měřit jemné odchylky od předpovědí Einsteinovy teorie pomocí stále dokonalejších přístrojů a různých pozorovacích kanálů. Například v případě mimiker by snímkování s vysokým rozlišením pomocí Event Horizon Telescope mohlo odhalit nečekané detaily v ohybu světla kolem těchto objektů – například složitější fotonové prstence. Gravitační vlny by mohly vykazovat jemné anomálie slučitelné s neklasickou geometrií prostoročasu. A tepelné záření z povrchu objektu bez horizontu by mohlo nabídnout další slibnou stopu.

Ke kvantové teorii gravitace
Současné znalosti zatím nestačí k tomu, abychom přesně určili, jaký druh perturbací bychom měli hledat a jak silné by mohly být. V příštích letech se však očekává významný pokrok v teoretickém poznání a numerických simulacích. Ty položí základy pro nové pozorovací nástroje navržené speciálně s ohledem na alternativní modely. Stejně jako v případě gravitačních vln se teorie stane vodítkem pro pozorování – a pozorování pak zpřesní teorii a možná dokonce vyloučí některé hypotézy.

Tento směr výzkumu je nesmírně slibný: mohl by přispět k vývoji kvantové teorie gravitace, která by byla mostem mezi obecnou relativitou, jež popisuje vesmír ve velkých měřítkách, a kvantovou mechanikou, která řídí subatomární svět.

„Výzkum gravitace je před námi,“ uzavírá Liberati, „je to skutečně vzrušující období. Vstupujeme do éry, kdy se před námi otevírá obrovská a neprobádaná krajina.“

Zdroj: https://scitechdaily.com/are-we-wrong-about-black-holes-a-radical-theory-challenges-einstein/

autor: František Martinek