Andrea Ghez: Pátrání po supermasivní černé díře

Jak můžeme pozorovat něco, co nevidíme? To je základní otázka pro každého, kdo se zajímá o hledání a zkoumání černých děr. Černé díry jsou totiž objekty, jejichž gravitační tah je natolik silný, že mu neunikne nic, dokonce ani světlo, a proto nemůžeme tyto díry spatřit přímo.

Moje dnešní vyprávění o černých dírách se bude týkat jedné konkrétní černé díry. Chci zjistit, zda existuje skutečně masivní, nebo jak říkáme "supermasivní", černá díra ve středu naší galaxie. Tato věc je zajímavá proto, že nám umožňuje prokázat, zda tyto neobvyklé objekty skutečně existují či nikoliv. Rovněž se nám nabízí příležitost porozumět tomu, jak tyto supermasivní černé díry působí na okolní prostředí, a tomu, jak ovlivňují vznik a vývoj galaxií, v nichž se nacházejí.

Na úvod musíme porozumět tomu, co je černá díra, abychom mohli pochopit, co je důkazem její existence. Co je tedy černá díra? V řadě ohledů je černá díra nesmírně jednoduchým objektem, jelikož ji lze popsat pouhými třemi charakteristikami - hmotou, momentem hybnosti a elektrickým nábojem. Já budu hovořit pouze o hmotě. Z tohoto pohledu se tedy jedná o velice jednoduchý objekt. Z jiného hlediska je to však nesmírně složitý objekt, k jehož popisu potřebujeme neobvyklé fyzikální pojmy, a který v určitém ohledu boří naše chápání fyziky vesmíru.

Dnes bych ale chtěla, abyste černou díru chápali - kvůli důkazu její existence - jako by to byl objekt, jehož hmota je zhuštěna do nulového objemu. Takže, i když budu mluvit o objektu, který je supermasivní, a k tomu, co to přesně znamená, se za chvíli dostanu, tak tento objekt nemá žádnou měřitelnou velikost. Je to celé trošku ošidné.

Naštěstí však existuje něco, co má měřitelnou velikost, kterou můžeme vidět, a to něco je známo jako Schwarzschildův poloměr. Je pojmenován po člověku, který zjistil, proč je tento poloměr tak důležitý. Jedná o virtuální, nikoliv o skutečný poloměr - černá díra nemá žádnou velikost. Proč je tedy tento poloměr tak důležitý? Je důležitý, protože nám ukazuje, že černou dírou se může stát jakýkoliv objekt. Tedy vy, váš soused, váš mobilní telefon, i tento přednáškový sál se mohou stát černou dírou, pokud se podaří zhustit tyto objekty na velikost Schwarzschildova poloměru.

K čemu v takové situaci dojde? V takové situaci převáží gravitace. Gravitace převáží nad všemi ostatními známými silami. Daný objekt bude nucen se dále zmenšovat, až se stane nekonečně malým. Pak se z něj stane černá díra. Pokud bychom zhustili celou Zemi na velikost kostky cukru, stala by se z ní černá díra, protože velikost kostky cukru odpovídá jejímu Schwarzschildovu poloměru.

Důležité je určit onen Schwarzschildův poloměr. Vlastně se dá určit poměrně jednoduše. Závisí totiž pouze na hmotě daného objektu. Větší objekty mají větší Schwarzschildův poloměr. Menší objekty mají Schwarzschildův poloměr menší. Kdybych tedy vzala slunce a zhustila ho na rozměry kampusu Oxfordské univerzity, stalo by se černou dírou.

Nyní tedy víme, co je to Schwarzschildův poloměr. Jedná se o velice užitečný nástroj, protože nám ukazuje nejen to, kdy se černá díra vytvoří, ale poskytuje nám rovněž klíčové prvky důkazu existence černé díry. Potřebuji jen dvě věci. Potřebuji znát hmotu objektu, o němž tvrdím, že je černou dírou, a jeho Schwarzschildův poloměr. Jelikož hmota je určujícím faktorem Schwarzschildova poloměru, stačí mi vlastně znát jen jednu věc.

Můj úkol, mám-li vás přesvědčit o existenci černé díry, spočívá v tom ukázat, že existuje objekt, který je zcela obsažen uvnitř svého Schwarzschildova poloměru. A vaším dnešním úkolem je být skeptičtí. Nebudu mluvit o nějaké obyčejné černé díře. Budu mluvit o supermasivních černých dírách.

Chtěla bych říct pár slov k tomu, co je obyčejná černá díra, pokud vůbec existuje něco takového jako obyčejná černá díra. Obyčejná černá díra je považována za poslední stádium života skutečně masivní hvězdy. Pokud je hvězda na počátku svého života mnohem masivnější než Slunce, ukončí svůj život výbuchem a zůstanou po ní takovéhle nádherné zbytky supernovy, jaké vidíme zde. Uvnitř takového zbytku supernovy bude malá černá díra která bude mít zhruba třikrát více hmoty než Slunce. Z astronomického hlediska se jedná o velice malou černou díru.

Já chci ale hovořit o supermasivních černých dírách. Panuje názor, že supermasivní černé díry se nacházejí ve středech galaxií. Tenhle krásný obrázek z Hubblova vesmírného dalekohledu vám ukazuje, že galaxie mají nejrůznější podoby a velikosti. Existují velké galaxie. Existují i malé. Téměř každý objekt na tomto obrázku je galaxií. V levém horním okraji vidíte takovou velice pěknou spirálu. V téhle galaxii je sto miliard hvězd. To jen tak pro představu, o jakém měřítku zde hovoříme. Všechno světlo, které vidíme u typických galaxií, což jsou právě ty galaxie, na které se tady díváme, pochází z hvězd. Galaxie tedy vidíme díky hvězdnému světlu.

Existuje však několik poměrně neobvyklých galaxií. Říkávám jim primadony galaktického světa, protože jsou to takové chlubilky. Nazýváme je aktivní galaktická jádra. Nazýváme je tak proto, že jejich jádro, neboli jejich střed, je velice aktivní. Právě z tohoto středu vychází většina hvězdného světla. Ve skutečnosti ale vlastně vidíme světlo, které hvězdným světlem být nemůže. Je mnohem energetičtější. Několik ukázek toho, jak to vypadá, vidíme zde. Přímo ze středu rovněž vycházejí výtrysky. Opět je velice těžké vysvětlit, co je jejich zdrojem energie, pokud vycházíme z předpokladu, že galaxie sestávají pouze z hvězd.

Někteří lidé nakonec přišli s myšlenkou, že možná existují supermasivní černé díry, do nichž padá hmota. Černou díru samotnou sice nemůžete vidět, ale můžete převést její gravitační energii na světlo, které vidíme. A tak se objevila myšlenka, že supermasivní černé díry možná existují ve středech galaxií. To je však pouze nepřímo odvozená úvaha.

I tak ale vedla k domněnce, že to nejsou pouze ony primadony, v nichž se nacházejí supermasivní černé díry, ale že v zásadě všechny galaxie mohou mít supermasivní černou díru ve svém středu. A pokud tomu tak je - Tady máme příklad normální galaxie. Vidíme hvězdné světlo. Pokud tady je supermasivní černá díra, pak se musíme domnívat, že to je černá díra, která drží dietu. Tak by totiž mohl být potlačen onen energetický jev, který pozorujeme v aktivním galaktickém jádru.

Pokud budeme hledat skryté černé díry ve středech galaxií, tak nejlepší místo, kam se podívat, je naše vlastní galaxie, naše Mléčná dráha. Tohle je panoramatický obrázek středu Mléčné dráhy. Vidíme zde hvězdy, seřazené v řadě. Je tomu tak proto, že žijeme v galaxii, která je zploštělým útvarem, připomínajícím disk. Žijeme uprostřed galaxie, takže když se díváme směrem k jejímu středu, vidíme tuto rovinu, která je rovinou naší galaxie, či linii, která tuto rovinu definuje.

Výhoda zkoumání naší vlastní galaxie spočívá prostě v tom, že se jedná o nejbližší galaktický střed, který máme k dispozici, protože další nejbližší galaxie leží stokrát dále. V naší galaxii tedy uvidíme mnohem více podrobností než kdekoliv jinde. A jak za chvilku uvidíte, schopnost vidět podrobnosti je pro tento experiment klíčová.

Jak vůbec astronomové dokazují, že uvnitř malého objemu je obsaženo velké množství hmoty? Mým dnešním úkolem je ukázat vám právě tohle. Postup, který užíváme, je pozorování způsobu, jakým hvězdy obíhají kolem černé díry. Hvězdy obíhají černou díru stejným způsobem, jakým planety obíhají slunce. Je to gravitační tah, který nutí objekty k tomuto obíhání. Kdyby nebyly přítomny žádné masivní objekty, tak by ostatní objekty místo obíhání uletěly nebo by alespoň obíhaly mnohem pomalejším tempem, protože pro způsob jejich oběhu je rozhodující, kolik hmoty se nachází uvnitř jejich oběžné dráhy.

To je skvělé, protože, jak víte, mým úkolem je vám ukázat, že uvnitř malého objemu se skrývá velké množství hmoty. Pokud vím, jaká je rychlost oběhu, znám i hmotu. A pokud znám velikost oběžné dráhy, znám i poloměr. Chci se tedy podívat na hvězdy, které jsou pokud možno co nejblíže středu galaxie. Chci totiž dokázat přítomnost hmoty uvnitř co nejmenšího prostoru. Znamená to tedy, že chci vidět hodně podrobností. Proto jsme k tomuto experimentu použili největší dalekohled na světě.

Toto je Keckova observatoř. Disponuje dvěma dalekohledy se zrcadlem velikosti deseti metrů, což zhruba odpovídá průměru tenisového kurtu. To je úžasné, protože od velkých dalekohledů se očekávalo, že čím větší dalekohled, tím menší detaily nám umožní spatřit. Ukázalo se však, že tyto dalekohledy, a vlastně jakýkoliv pozemní dalekohled, nedokáží zcela naplnit očekávání, která do nich byla vkládána. Může za to atmosféra. Pro nás je atmosféra něčím úžasným, protože nám umožňuje zde na Zemi přežít. Na druhou stranu představuje poměrně zásadní překážku pro astronomy, kteří se chtějí dívat skrze atmosféru na astronomické zdroje.

Pro vaši lepší představu je to vlastně, jako když se díváte na oblázek na dně potoka. Když se na ten oblázek na dně díváte, voda v potoce neustále prudce proudí, a proto oblázek vidíte jen s velkými obtížemi. Stejně tak je velice obtížné vidět astronomické zdroje, jelikož se kolem neustále pohybuje atmosféra.

Strávila jsem značnou část svojí kariéry hledáním možností, jak vliv atmosféry korigovat, abychom viděli zřetelněji. Dosáhli jsme v tomto ohledu asi dvacetinásobného zlepšení. Myslím, že se všichni shodneme na tom, že pokud bychom zjistili, jak dvacetinásobně zlepšit svůj život, tak by se náš životní styl pravděpodobně opravdu výrazně vylepšil - všimli byste si toho u svého platu, u svých dětí.

Tato animace je ukázkou jednoho příkladu užítí techniky, kterou nazýváme adaptivní optika. Vidíte zde animaci, která nabízí ukázku toho, co byste viděli, pokud byste této techniky nevyužili. Je to vlastně jen obrázek hvězd. Ten rámeček tady ohraničuje střed galaxie, kde se, jak se domníváme, nachází černá díra. Bez této technologie nemůžete vidět hvězdy. S její pomocí je najednou vidíte. Princip této technologie je založen na zapojení zrcadla do optického systému dalekohledu, které se neustále otáčí, aby korigovalo vliv atmosféry na vaše pozorování. Je to vlastně jako kdybyste svému dalekohledu pořídili opravdu drahé brýle.

U několika dalších snímků se zaměřím na ten malý čtvereček tady. Budeme se tedy dívat pouze na hvězdy uvnitř toho malého čtverečku, ačkoliv jsme se dívali na všechny. Chci vidět, k jakému pohybu zde došlo. Během našeho experimentu se tyto hvězdy velice výrazně pohnuly. Tento experiment provádíme již patnáct let a za tu dobu jsme viděli hvězdy pohybovat se všemi směry.

Většina astronomů má svoji oblíbenou hvězdu a mojí oblíbenkyní je dnes hvězda, která je zde označena jako SO-2. Moje vůbec nejoblíbenější hvězda na světě. Je to proto, že její doba oběhu je jen patnáct let. Abyste měli představu, jak krátká doba to je, tak pro srovnání slunci trvá 200 miliónů let, než oběhne kolem středu galaxie. U hvězd nejblíže středu galaxie, které jsme znali dříve, je doba oběhu 500 let. Tahle hvězda to zvládne během lidského života. V určitém ohledu je to velmi hluboká myšlenka.

Zároveň je to ale klíč k tomuto experimentu. Oběžná dráha mi ukazuje, jak velké množství hmoty je soustředěno uvnitř velmi malého poloměru. Dále tady vidíme obrázek, který ukazuje rozměr, do nějž jsme byli před tímto experimentem schopni zhustit hmotu galaktického středu. Již dříve jsme věděli, že uvnitř tohoto kruhu je soustředěna hmota čtyřmilionkrát větší než hmota slunce. Jak můžete vidět, uvnitř toho kruhu byla i řada dalších věcí. Vidíte tu hodně hvězd. Existovalo tedy mnoho dalších alternativ k tezi, že ve středu naší galaxie se nachází supermasivní černá díra, protože tam mohlo být i mnoho jiných věcí.

Během tohoto experimentu jsme ale ohraničili stejnou hmotu mnohem menším objemem, desettisíckrát menším. Díky tomu jsme mohli dokázat, že tam supermasivní černá díra je. Abyste si udělali představu o tom, o jak malém rozměru zde hovoříme, tak takhle velká je naše sluneční soustava. Zhustili jsme tedy hmotu čtyř miliónů sluncí do takhle malého objemu.

A nyní: "Reklama má být pravdivá", že ano? Řekla jsem vám, že mým cílem je zredukovat velikost až na Schwarzschildův poloměr. A pravdou je, že jsem se tak daleko dosud nedostala. Dnes však nemáme žádné jiné alternativní vysvětlení této koncentrace hmoty. Je to nejlepší důkaz, který doposud máme o existenci supermasivní černé díry, nejen ve středu naší vlastní galaxie, ale kdekoliv v našem vesmíru. Co bude teď následovat? Myslím, že tohle je maximum, čeho jsme schopni se současnou technologií dosáhnout, a proto přejděme dál.

Chci vám velice stručně ukázat několik příkladů zajímavých věcí, které můžeme dělat již dnes ve středu naší galaxie, když teď už víme, nebo alespoň věříme, že se tam nachází supermasivní černá díra. Zábavná etapa tohoto experimentu spočívá v tom, že když jsme otestovali některé naše předpoklady dopadů existence supermasivní černé díry ve středu naší galaxie, téměř každý z těchto předpokladů byl v nesouladu s tím, co ve skutečnosti vidíme. A to je to zajímavé.

Uvedu zde dva příklady. Můžeme si položit otázku: "Co čekat u starých hvězd, které se pohybují kolem středu galaxie již dlouhou dobu a které měly dost času k vzájemné interakci s černou dírou?" Dalo by se očekávat, že staré hvězdy budou natěsno seskupeny kolem černé díry. Poblíž té černé díry byste měli vidět hodně starých hvězd.

Naopak, mladé hvězdy by tam být neměly. Černá díra není pro hvězdnou školku dobrým sousedem. K vzniku hvězdy je třeba, aby se zhustil velký oblak plynu a prachu. Jedná se o velmi křehký útvar. Co ale způsobí velká černá díra? Roztrhá ten oblak plynu. Má mnohem silnější tah na jedné straně než na druhé a ten oblak se proto roztrhá. Domnívali jsme se proto, že v podobném prostředí by k vzniku hvězd nemělo docházet.

Neměli bychom tam tedy vidět mladé hvězdy. Co ale vidíme? Na základě jiných metod pozorování, než jsem vám dnes ukazovala, můžeme zjistit, které hvězdy jsou staré a které jsou mladé. Staré hvězdy jsou červené. Mladé jsou modré. U žlutých zatím nevíme. Už tedy sami vidíte to překvapení. Je tu nedostatek starých hvězd. Je tu mnoho mladých hvězd, což je přesný opak toho, co jsme očekávali.

To je ta legrační stránka celé věci. Je to vlastně to, co se snažíme zjistit, objasnit to tajemství, jak vyřešit tenhle rozpor. Moji doktorarandi jsou právě v tuto chvíli, dnes, u dalekohledu na Havaji, a provádějí pozorování, které nás, doufejme, posune do další fáze, kde budeme moci zodpovědět otázku, proč zde vidíme tolik mladých hvězd a tak málo starých. Abychom dosáhli dalšího pokroku, musíme se podívat na oběžné dráhy hvězd, které se nacházejí mnohem dále. K tomu budeme pravděpodobně potřebovat mnohem vyspělejší technologii než máme dnes.

Protože, i když jsem říkala, že korigujeme vliv atmosféry Země, jsme schopni zkorigovat pouze polovinu chyb, které vzniknou. Děláme to tak, že do atmosféry vysíláme laserový paprsek, a domníváme se, že pokud bychom jich vyslali více, opravili bychom i zbytek chyb. Doufáme, že k tomu dojde někdy během několika následujících let. A v mnohem delším časovém horizontu doufáme, že budeme schopni zkonstruovat ještě větší dalekohledy, protože, jak víte, v astronomii platí heslo: čím větší, tím lepší.

Chceme tedy zkonstruovat třicetimetrový dalekohled. A s pomocí tohoto dalekohledu bychom měli být schopni spatřit hvězdy, které jsou ještě blíže středu naší galaxie. Doufáme, že budeme moci otestovat některé z Einsteinových obecných teorií relativity a některé kosmologické teze o vzniku galaxií. Domníváme se, že budoucnost tohoto experimentu bude nesmírně zajímavá.

Na závěr vám ukážu animaci, která vlastně zachycuje, jak se tyto oběžné dráhy pohybují, ve třech rozměrech. Doufám, když nic jiného, že jsem vás přesvědčila o tom, že skutečně existuje supermasivní černá díra ve středu naší galaxie. Znamená to, že tyto objekty v našem vesmíru skutečně existují a že se s tím musíme vyrovnat, že musíme vysvětlit, jak se v našem fyzickém světě objevily.

Rovněž jsme se dnes podívali na interakci supermasivních černých děr s okolním prostředím, a možná porozuměli roli, jakou sehrávají při určování podoby a fungování galaxií.

A v neposlední řadě, žádná z těchto věcí by nebyla možná bez úžasného pokroku, který se odehrál na poli technologie. Domníváme se, že tento obor se velice rychle vyvíjí a má do budoucna velký potenciál. Mnohokrát vám děkuji. (Potlesk)