MALÁ KOSMOLOGICKÁ HLÍDKA -- SRÁŽKY ČERNÝCH DĚR A GRAVITAČNÍ VLNY

Srážka černých děr dává vzniknout gravitačním vlnám

Ve světě fyzikálních věd se poslední době dostává do středu pozornosti problematika gravitačních vln. Vědcům se poprvé podařilo přímo detekovat gravitační vlny. Vypadá to tak, že je to začátek zcela nové éry poznávání vesmíru. Existenci gravitačních vln předpověděl již téměř před sto lety jako součást své obecné teorie relativity Albert Einstein. Dnes víme, že gravitace se šíří ve vlnách jako například světlo, místo radiace se však šíří chvěním prostoru. Nepřímý důkaz o existenci gravitačních vln získali vědci v 70. letech minulého století na základě provedených výpočtů, které byly oceněny Nobelovou cenou. Nyní již mají vědci přímý důkaz jejich existence. Důležitým zdrojem či příčinou vzniku gravitačních vln jsou kataklyzmata, ke kterým dochází při srážce dvou černých děr provázené výtryskem obrovské energie. Ten právě dává vzniknout gravitačním vlnám.

Co jsou gravitační vlny?

V roce 1915 představil Albert Einstein světu svou obecnou teorii relativity zahrnující teorii gravitace, ve které se síla gravitace popisuje jako zakřivení prostoro-času. Teorie tak vyvedla tehdejší vědce z míry, že jí bez elementárních důkazů mohli těžko uvěřit. Během doby se však nahromadila řada potvrzení této teorie, ať již vznikem gravitačních “čoček” pro zkoumání dalekých galaktik, nebo například zpomalením času v gravitačním poli. Prakticky všechny předpovědi obecné teorie relativity se podařilo potvrdit. Kromě jednoho - existence gravitačních vln. Ty jsou totiž velmi slabé až 1040 krát (představme si 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 krát) slabější než elektromagnetické vlny. Objevit je je mimořádně složité, avšak najdou-li se, pak je možné tvrdit, že obecná teorie relativity se výborně hodí pro popis gravitace, že tato teorie je velmi přesná, a že náš svět je takový, jak jej popsal Einstein a nijaký jiný.

Albert Einstein (1879-1955)

Svým charakterem jsou gravitační vlny vzruchy prostoro-časového kontinua, které se odtrhnou od svého zdroje a šíří se podobně jako vlny (jakési čeření prostoro-časového kontinua). V obecné teorii relativity a ve většině jiných moderních teorií gravitace se gravitační vlny rodí pohybem mohutných těles s proměnným zrychlením. Prostorem se volně šíří rychlostí světla. Problémem jejich zaregistrování je že jsou mimořádně slabé, jak již uvádíme výše.

Šíření gravitačních vln v prostoru (v uměleckém podání)

Gravitační vlny byly předpovězeny obecnou teorií relativity i mnoha dalšími teoriemi. Přímo byly poprvé zjištěny v září 2015 dvěma detektory (dvojčaty) observatoře LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), které zaregistrovaly gravitační vlny pravděpodobně vzniklé jako důsledek srážky a splynutí dvou černých děr a tím vytvoření jedné mohutnější, rotující černé díry.

Přímé zaregistrování gravitačních vln a jejich využití pro určení parametrů probíhajících astrofyzikálních procesů se stalo důležitým úkolem současné fyziky a astronomie.

V rámci obecné teorie relativity se gravitační vlny popisují řešeními Einsteinových rovnic vlnového typu představujícími vychýlení metriky prostoročasu pohybující se rychlostí světla.

Působení dvojice černých děr

Vesmírné útvary ze dvou černých děr jsou opravdovými kosmickými časovanými bombami. Časový spouštěč takové bomby závisí na mnoha parametrech, zejména na velikosti a hmotnosti černých děr a na rychlosti a rozměrech počátečních oběžných drah jejich pohybu. A když časový spouštěč spustí, vznikne mimořádně silný gravitační výbuch, jehož ozvěna se šíří vesmírem ohlašujíc událost všem, kdo je schopen gravitační vlny “uslyšet”.

Dvojice černých děr vytvářející gravitační vlny (v uměleckém podání)

Dvojné systémy černých děr se mohou vytvořit dvěma různými způsoby. První je zrození dvou ultramasivních hvězd, které jsou vůči sobě v bezprostřední blízkosti. Takové dvojné hvězdy  jsou ve vesmíru dosti rozšířené (jedna třetina až jedna polovina z celkového počtu hvězd ve vesmíru). Je známo, že tak masivní hvězdy mají velmi malou životnost, rychle se “propálí” svým bouřlivým životem, vybuchnou a umírají pro hvězdy v ”mladém” věku milionů let zanechávaje po sobě dvojici černých děr.

Druhým způsobem vytvoření dvojice černých děr je setkání dvou černých děr, které se zrodily odděleně v různých koutech vesmíru. Obvykle se to stává následkem procesu, při kterém černá díra ztratí původní potenciální energii, která se spotřebuje na zrychlení blízkých hvězd působením jevu “gravitační” uzávěry na přitáhnutí hmoty z okolního prostoru a jiných podobných procesů. V důsledku ztráty energie se začne černá díra posouvat ke středu galaxie nebo kupy galaxií. Tím dojde k setkání přisunuté a již v tom místě se nacházející černé díry.

Znázornění srážky dvou černých děr (v uměleckém podání)

Dvě k sobě připoutané černé díry jsou aktivnějším vesmírným objektem než jedna černá díra. Ve většině případů mají takové černé díry hmotnost 20 až 100 krát převyšující hmotnost našeho Slunce. Velmi dobře a efektivně čistí okolní prostor od hvězd tím, že pohltí jejich hmotu nebo je rozházejí svými gravitačními vzruchy daleko do kosmu. Vlivem vysoké aktivity se dvojné útvary rychle vyvíjejí, jejich černé díry zvyšují svoji hmotnost, což vede ke změnám rychlosti a drah jejich pohybu.

Každý krok ve vývoji dvojných systémů černých děr vede k tomu, že ztrácejí svoji kinetickou a potenciální energii a to vede k tomu, že se jejich černé díry stále více a více k sobě přibližují. Tento proces se stále zrychluje, což vede k neodvratné srážce. Proces přibližování se může značně urychlit, když jedna partnerská černá díra dostane ještě k tomu “kopanec” od hvězdy nebo jiného nakupení hmoty, které se nedaleko v prostoru přesunuje.

Rotace dvou černých děr (nezávisle na tom jak dvojice vznikla) už sama od sebe vytváří nevelké gravitační vlny. A miliardy takových dvojic vytvářejí ve vesmíru stálé pozadí gravitačních vln jejichž signál má naprosto náhodný charakter. Po ukončeném splynutí dvou černých děr však vzniknou takové gravitační vlny, které jsou na celkovém pozadí srovnatelné s vlnami tsunami ve vztahu k stálým obyčejným mořským vlnám.

Observatoř LIGO v Livingstonu (Louisiana, USA)
(Caltech/MIT/LIGOLab)

Pro vědce v astronomických a fyzikálních oborech jsou v současnosti dvojné útvary černých děr a jimi vytvářené gravitační vlny ve středu jejich zájmu. Podobají se jakýmsi kosmickým “pouzdrům času” jejichž gravitační výbuchy v sobě nesou množství užitečných informací o minulosti, které se dají dešifrovat a které mohou vrhnout světlo na určité nejzákladnější záhady vesmíru. A teprve nedávno dostalo lidstvo k dispozici nástroj - výše jmenovanou observatoř LIGO. To umožňuje zaregistrovat gravitační vlny a ”vyždímat” z nich důležité dostupné části informací, které v sobě nesou. O tom bude řeč v dalších příspěvcích Malé kosmologické hlídky tohoto blogu.