Planckova hvězda - teoretický pohled do černé díry

Planckova hvězda - teoretický pohled do černé díry

Co se stane s hmotou, která spadla do tzv. černé díry? Od určitého bodu její dráhy její osud už nemůžeme pozorovat. Věda má naštěstí ještě jiné možnosti, jak vysvětlit procesy, které nejsou vidět. (délka blogu 15 min.)

Hvězdná kariéra

První fáze života hvězd je relativně dlouhá a stabilní. Spalují své původní palivo vodík na helium, vyzařují do svého okolí hvězdný vítr a elektromagnetické záření. Vše hezké ale jednoho dne skončí. Když vyčerpá své zásoby vodíku, musí hvězda nutně kolabovat. Nutí ji k tomu gravitace, která se snaží hmotu hvězdy stlačit do menšího objemu.

V nitru hvězdy se tím zvýší teplota a tlak - a zažehne se nový druh spalování - tentokrát se spaluje původní odpad (helium) na těžší prvky. Proces končí principiálně tím, že se v nitru hvězdy vytvoří jádro ze železa. Každý další těžší prvek už ke svému vzniku energii spotřebovává - nemůže tedy sloužit jako palivo k termonukleární reakci - reakci, která by se postarala o dostatečně silný tlak záření, odolávající hvězdné gravitaci.

Vývoj hvězd je přitom zároveň závislý na množství hmoty, kterou má k dispozici. Následující obrázek shrnuje různé varianty tohoto vývoje.

Málo hmotné hvězdy končí svůj aktivní život jako bílí trpaslíci. Velké a hmotné hvězdy pokračují v cyklech spalování prvků na těžké prvky a následných kontrakcí až do vytvoření stabilního jádra ze železa.

Gravitace dostatečně hmotných hvězd (3 - 8 hmotností Slunce) následně postačí k rozdrcení železného jádra na protony a elektrony, které se pak pod ještě vyšším tlakem spojí a vytvoří tak neutrony. Vznikne tzv. neutronová hvězda.

Kolaps těch nejhmotnější hvězd se nezastaví ani v tomto stadiu a stávají se z nich poměrně malé objekty, kterým říkáme černé díry.  

Tady nastává problém. Zatímco běžné hvězdy vyzařují energii v té či oné části elektromagnetického spektra (té části, kterou jsme schopni detekovat pouhým okem říkáme světlo) - chovají se černé díry jinak.

Je v nich koncentrováno velké množství hmoty v opravdu malém prostoru. Gravitační zrychlení v jejich blízkosti je opravdu silné. Tak silné, že z tohoto objektu neunikne dokonce ani světlo (elektromagnetické záření). To znamená, že nemáme prakticky žádné informace o tom, co se dál děje uvnitř Schwarzschildova poloměru, pomyslné oblasti, kde se úniková rychlost černé díry rovná rychlosti světla.

Přesto ale existují nadějné teorie, které popisují stavy hmoty v podmínkách, které se podobají těm v černé díře.

Poté, co gravitace způsobila kolaps neutronové hvězdy, se neutrony mohou rozložit na jednotlivé kvarky. V obřích urychlovačích se takový stav už podařilo prokázat. Dostal název kvark-gluonové plasma.

Při dostatečně vysokých teplotách se kromě jiného spojí dvě základní síly - elektromagnetická síla a slabá interakce. Znamená to, že se obě začnou projevovat identicky. Síla dostala název elektroslabá interakce.

Teorie o její existenci není zrovna nová - pochází už ze šedesátých let minulého století. V sedmdesátých letech vynesla svým objevitelům Nobelovu cenu. Tato síla by mohla způsobit přeměnu kvarků na elektrony nebo jiné leptony (elektronům podobné těžší částice).

Elektroslabá interakce

 je teoretickým sjednocením elektromagnetické a slabé interakce. Teorie byla vytvořena koncem 60. let 20. století S. Glashowem, A. Salamem a S. Weinbergem, kteří za ni byli v r. 1979 oceněni Nobelovou cenou za fyziku.

Při zmiňované přeměně vznikají částice - a díky nim také “tlak”, který by se mohl dát přirovnat k síle záření. Nějakou dobu tedy může hmota v těchto kvarkových hvězdách ještě odolávat gravitaci, která se ji snaží komprimovat. Vědci si dnes zatím ještě nejsou jistí, jestli tato perioda trvá deset vteřin nebo deset milionů roků.

Poté, co proces skončil, vlastně už nic nestojí v cestě přeměně objektu na černou díru.

Hmota by pak mohla vytvořit něco, co vědci nazývají Planckovou hvězdou.

K vysvětlení tohoto stavu je potřeba kvantová mechanika - a hlavně Heisenbergova relace neurčitosti.

Relace neurčitosti říkají, že se v kvantové fyzice nedají zároveň a úplně přesně určit dvě z komplementárních vlastností hmoty - například hybnost a poloha, kde se pozorovaná částice zrovna nachází. Přitom to není kvůli nedostatečně přesným přístrojům. Je to způsobeno základními fyzikálními zákony. Tato teorie také není zrovna nová, Heisenberg ji definovat už v roce 1927.

Podobně nelze přesně určit zároveň rychlost a místo, kde se nachází pozorovaná částice. Jiným takovým párem vlastností je energie a čas. Čím menší škálu pozorujeme, tím méně dává pozorování smysl, protože se nedá určit přesná hodnota pozorovaného jevu. Fyzika tedy díky kvantovým vlastnostem definuje sadu hraničních hodnot. Minimální smysluplný rozměr je například tzv. Planckova délka: 10^-35m.

Někteří vědci také předpokládají, že se na malá základní kvanta rozbíjí také časoprostor. To by pro změnu znamenalo, že se do těchto nepatrných zrníček prostoročasu “vejde” jen určité konečné množství energie. Po jeho “nasycení” by pak mohl

být kolaps bývalé velice hmotné hvězdy zastaven.

Znamenalo by to, že černé díry opravdu nejsou singularitami, nekonečně hustými a nekonečně malými “body”, ale mají určité (i když velice malé) rozměry.

Při kolapsu se může kvantovaný prostor nasytit energií, odpovídající 5x10^113J/m3. Takový objekt nazývají teoretičtí fyzici Planckovou hvězdou.

Pro zajímavost: Planckova teplota (hraniční možná teplota) se dosáhne tehdy, když neutronová hvězda kolabuje zhruba na velikost atomu.

Jakou velikost by mělo teoreticky Slunce, kdyby se nacházelo v podmínkách, odpovídající Planckově hvězdě? Odpovídalo by kouli o poloměru 4,4x10^-23m.