Když na začátku 20. století přišel Albert Einstein s teorií relativity, otevřel tím dveře do zcela nového oddělení „kosmické ZOO “. Pozorování poměrně rychle potvrzené a extrémně přínosné teorie totiž předpovídala existenci objektů, které překračovaly hranice lidské představivosti. Jedním z mytických „exemplářů“, které rychle našly místo v obecném povědomí, jsou i černé díry.
Jak nepochybně víte, jde o objekty, které se vlastní hmotností zhroutí a vytvoří místo, kde v podstatě nic není tak, jak jsme z běžného vesmíru zvyklí. Jejich gravitace je natolik silná, že jim neunikne světlo ani jiné elektromagnetické záření, a tak představují temná místa ve vesmíru. (Pokud tedy neplatí teorém Stephena Hawkinga, že i černé díry se pomalu „odpařují“ díky tzv. Hawkingovu záření. To ovšem zatím nedokážeme zachytit, navíc toto „odpařování“ trvá podstatně déle, než by měl podle dnešních teorií vydržet náš vesmír.) Zhruba o půl století později se podařilo existenci černých děr opravdu doložit i astronomickým pozorováním. Důkazy byly zatím sice nepřímé, založené v první řadě na pozorování vlivu černých děr na okolní hmotu, ale stále jich přibývalo a o existenci černých děr nikdo mezi odborníky vážně nepochyboval. Skutečně „zahlédnout“ alespoň obrys černé díry se podařilo zhruba století po Einsteinovi. Stalo se tak 10. dubna na prezentaci výsledků teleskopu Event Horizon Telescope (EHT). Tisková konference, která se současně odehrávala s různým obsazením na několika kontinentech, odhalila první snímek černé díry. Konkrétně jde o fotografii masivní černé díry v jádru galaxie M87, která leží zhruba 54 milionů světelných let od nás. Hmotnost černé díry se dá určit na přibližně 6,5 miliard Sluncí, její průměr odpovídá průměru Sluneční soustavy. „Nevěřil jsem, že může být tak hmotná, dokud jsme ji nezměřili,“ řekl na bruselské „verzi“ tohoto převážně evropského projektu jeho šéf a duchovní otec Heino Falcke. Pro Einsteina by bylo jistě povzbudivé, že pozorovaný objekt velmi dobře odpovídá předpovědím jeho teorie. Výsledný snímek též odpovídá i modelu, který tým EHT vytvořil na základě předběžných pozorování. Jak se dá vyfotit neviditelné? Vzhledem k vlastnostem černých děr je samotné prostě zachytit nedokážeme. Astronomové a astrofyzici ovšem doufali, že by se jim mohlo podařit zaznamenat záření z bezprostředního okolí černé díry, přesněji z míst těsně nad horizontem událostí. To je hranice, která definuje černou díru a zpoza které se již žádné záření již ven nedostane. Už jen snímek toho, co se děje přesně nad hranicí černé díry – tedy v podstatě toho, jak to vypadá, když do ní něco padá – by měl samozřejmě poskytnout informace o tom, jaká vlastně je struktura a jaké jsou vlastnosti jí samotné. Astrofyzikům by podobné snímky mohly pomoci ověřit platnost řady teorií a hledat inspiraci pro nové – možná i takové, které by například dokázaly sjednotit teorii relativity s teorií kvantovou. Dosažení cíle brání řada překážek. Například skutečnost, že na černé díry pořádně „nevidíme“. Díky detektoru LIGO můžeme od roku 2016 nahlédnout do okolí díky gravitačním vlnám (také předpověděným teorií relativity), ale tak lze zachytit jen mimořádné události, jako je srážka dvou černých děr, a nehodí se pro sledování stabilních objektů v našem okolí. Tedy například černé díry ve středu naší galaxie. Astronomové se tedy rozhodli, že nejlepší naději na zachycení snímku černé díry dnes skýtají mikrovlny, z praktických důvodů především oblast řádově kolem milimetru (mají dostatečně úhlové rozlišení a odborníci si alespoň dokázali představit způsob, jak vytvořit uspokojivě velkou anténu; o tom dále). Z čistě technických důvodů je ovšem obor „mikrovlnné astronomie“ relativně mladý. Vhodná technika je k dispozici poměrně krátkou dobu, jen pár desetiletí, a stále se vcelku rychle zlepšuje a vyvíjí. Myšlenka vzniku EHT se tedy v prakticky realizovatelné podobě objevila před 20 lety, jeho možnosti rostly ovšem postupně s tím, jak se rozrůstal o další observatoře a zlepšovaly se technologické možnosti. Na anténách se nesmí šetřit Projektu se účastní stovky vědců a desítky institucí z celého světa a jeho základní myšlenka je prostá: složit existující teleskopy do jednoho většího, byť pouze virtuálního zařízení. Při zobrazení okolí černé díry je největší problém vzdálenost. Objekty jsou tak vzdálené – z našeho postavení tedy malé – že je zapotřebí ohromného teleskopu. Musí se uvažovat řádově v desítkách tisíc kilometrů, tedy o teleskopu velikosti naší planety. V podstatě to funguje tak, že teleskopy z různých částí světa se ve stejnou dobu zaměří na stejný objekt a vzájemně porovnají a „sečtou“ výsledky svých pozorování. Postup se nazývá interferometrie a používá se v astronomii běžně, málokdy ovšem u tak vzájemně vzdálených teleskopů. V případě EHT je výsledek podobný, jako kdybychom pozorovali cíl anténou s průměrem shodným, jako je maximální vzdálenost mezi jednotlivými menšími teleskopy. A protože v projektu jsou teleskopy z velké části ze západní polokoule, vlastně má k dispozici anténu s průměrem téměř tak velikým, jako je průměr Země. Výsledkem je neuvěřitelná přesnost: kombinací simultánního pozorování několika radioteleskopů rozmístěných na různých místech naší planety se dosahuje rozlišení několika stotisícin úhlové vteřiny. „To je zhruba tisícinásobný posun v rozlišovací schopnosti oproti možnostem, jakých dosahují ty největší pozemské optické dalekohledy,“ komentuje Michal Bursa z Astronomického ústavu. S podobnou přesností byste mohli ze Země na Měsíci najít objekt velikosti tenisáku. Až přiletí letadlo Projekt začal fungovat postupně během druhé dekády tohoto století. Pozorování probíhá jen několik dní v roce, a to na jaře, kdy je největší šance, že na všech observatořích budou vhodné podmínky. V roce 2012 zachytil projekt ohromný výtrysk hmoty z černé díry v galaxii M87, o kterém zatím nevíme, jak vzniká. V roce 2015 pak zachytil alespoň částečně podobu magnetického pole kolem „naší“ černé díry. Ale na zaznamenání podrobností v blízkosti horizontu událostí neměla kolaborace dostatečné rozlišení a přesnost. Na pozorování v roce 2017 do sestavy přibyla ještě anténa IRAM ve Španělsku a především obří soustava 66 antén mezinárodního teleskopu ALMA v Chile. Právě ten měl zvýšit rozlišovací schopnost o řád a umožnit nahlédnout až téměř k hranici horizontu událostí. Pozorování, které nám dalo první snímek černé díry, probíhalo čtyři dny v dubnu 2017. Dopředu se vědělo, že výsledky nemohou být dříve než ke konci roku 2017. Na pozorování se totiž podílí i teleskop z jižního pólu (neoriginálně nazývaný South Pole Telescope), jehož výsledky ke zpracování vždy dorazí až po konci zimy na jižním pólu, tedy v září či říjnu. Údajů z pozorování je totiž příliš na to, aby se daly přepravovat jinak než fyzicky; z jednoho teleskopu řádově jednotky petabajtů (tj. 1015, tedy milion gigabajtů). Výsledky tedy musí přiletět ke zpracování letadlem a ta během tamní zimy k jižnímu pólu nelétají. Ale rok skončil, a tým EHT mlčel. Zpracování a „sladění“ dat z různých teleskopů se ukázalo být nakonec ještě obtížnějším, než se čekalo. Co vidíme Samotný snímek přitom není – naštěstí pro Einsteina – příliš překvapivý. Tvoří ho očekávaná tmavá kruhová výseč se světlými částmi na okraji. Jde o portrét supermasivní černé díry v nedaleké galaxii M87. (EHT měl vytipované dva cíle: černou díru v galaxii M87 a černou díru v jádru naší galaxie, známou jako Sagittarius A*. Sledování se soustředilo na černou díru v jádru M87, protože první výsledky ukázaly, že její pozorování má větší naději na úspěch.) Na fotografii září hmota disku, který velkou rychlostí rotuje kolem díry. Jak rychle, závisí na hmotnosti díry – u těch supermasivních v jádru galaxií jsou ovšem rychlosti poměrně malé, řádově v tisícovkách stupňů. Hmota tedy září převážně v optickém nebo infračerveném spektru. (U menších černých děr tzv. hvězdných hmotností je rotace rychlejší a hmota může být zahřátá až na miliony stupňů a zářit tedy ve všech možných částech spektra.) Černá díra je skryta v temném kotouči uprostřed. Tvoří ovšem jen jeho malou část: průměr celé černé oblasti je zhruba 60 miliard km (tj. 6 × 1013 metrů, což je zhruba 400násobek vzdálenosti Slunce–Země). Průměr samotné černé díry je necelých 20 miliard km. Část toho, co vidíme, je možná záření takzvané fotonové orbity. To je speciální znak černých děr: kolem jejich horizontu událostí totiž existuje obvykle jakýsi „pás světla“, oběžná dráha, na které se neudrží žádná hmota, ale udrží se na ní světlo, tj. fotony, které obíhají po téměř kruhových drahách kolem černé díry. Jde o nestabilní dráhu. Jinak řečeno, fotony z ní nakonec spadnou za horizont událostí nebo se naopak uvolní zpět do prostoru. Tento „pás zachycených fotonů“ podle výpočtu leží zhruba 1,5násobku průměru horizontu událostí od středu černé díry. Což mimochodem znamená, že samotný „fotonový orbit“, který by měl vypadat jako ohromná světlá koule obalující černou díru, nevidíme. Je skryt ve „stínu“ černé díry, protože ta pohltí prakticky všechno světlo, které by nám mohlo poskytnout obrázek fotonové orbity. Zahlédneme jen malou část fotonů, které se z něj uvolní směrem k nám, ty ovšem poskládají nepřesný obrázek. Vidět je zato disk hmoty, která padá a rotuje kolem černé díry, tzv. akreční disk. Jeho vnitřní hranice leží zhruba ve vzdálenosti tří průměrů horizontů událostí od jejího středu. Laikovi se to na pohled nemusí zdát, ale podle výpočtů to vypadá, že černá díra by mohla být díky velké náhodě nakloněna k nám téměř přesně jedním pólem. Disk kolem ní tedy vidíme prakticky přímo z nadhledu. Část disku se nám ovšem zdá temnější, protože svůj roli hraje i relativistický Dopplerův efekt. Rádiové záření pocházející z části akrečního disku, který se pohybuje směrem od Země, bude díky tomuto jevu slabší. Naopak intenzivnější bude záření pocházející z části disku rotujícího směrem k Zemi. Díky tomu také bezpečně víme, že hmota kolem objektu rotuje, a to ve směru hodinových ručiček. V tuto chvíli není jasné, zda rotuje samotná černá díra, ale dá se to předpokládat, protože nerotujících černých děr by mělo být poměrně málo (cca 5 %). I přes nesmírnou historickou a vědeckou hodnotu snímku ovšem dnes v podstatě platí, že teorie předbíhá praxi. Dnešní počítačové simulace černých děr jsou výrazně podrobnější než pořízený snímek. Ten zatím dokazuje pouze tolik, že v základních rysech naše teorie platí. Teoretici ovšem touží po snímcích podstatně podrobnějších, které by jim prozradily, zda se náhodou v některých důležitých detailech nemýlí, nebo jim ukázaly nějaké nové, nečekané vlastnosti černých děr. Na ty si ovšem patrně ještě počkáme. Rozlišení EHT se bude v příštích letech zlepšovat, jak se do něj budou zapojovat další zařízení, odborníci si ovšem alespoň zatím nedokážou představit, jak by jeho schopnosti mohly vylepšit zásadně, tedy o řády. „Abychom dohlédli na další černé díry, budeme potřebovat teleskop větší než Země, a to jde jedině ve volném kosmickém prostoru,“ prohlásil na tiskové konferenci Heino Falcke. /jj/
