V centru zájmu astrofyziků jsou chlupy černých děr. Napovídají, co je uvnitř

Ony chlupy černých děr si ale zasluhují širší objasnění. Dvacáté století dalo světu (a světu fyziků především) dvě teorie. Obecnou relativitu a kvantovou fyziku, což je celá soustava teorií. Obě těžce nabouraly fyziku klasickou, obě byly experimentálně potvrzeny, ale je tu jeden problém – ještě se nenašel génius, který by je dokázal sloučit do teorie jedné, takzvané teorie všeho. Zatímco teorie relativity popisuje a vysvětluje v kosmologii především velké celky, jejich vývoj, chování a vzájemné působení (stručně řečeno), kvantová fyzika se zabývá elementárními částicemi. V tom ovšem problém není. Tkví v tom, že výzkum velkých vesmírných objektů si vystačil s teorií relativity, ta ale u těch nejmenších nefunguje. Je zapotřebí použít část kvantové fyziky, tedy kvantovou mechaniku. V zásadě by to nevadilo, protože se oba typy výzkumů nestřetávají. Tedy až na výjimky a jednou z nich jsou právě černé díry.

Z pohledu obecné teorie relativity lze vyčerpávajícím způsobem popsat všechny černé díry třemi veličinami, které lze pozorovat – jejich hmotnost, elektrický náboj a moment hybnosti. Čtvrtou by mohl být magnetický náboj, ale astrofyzici ho zatím nedokázali změřit. Jestliže jsou tyto tři hodnoty stejné pro libovolné dvě černé díry, je nemožné rozeznat jednu od druhé. Všechny ostatní vlastnosti, které by pomohly objasnit, jak černé díry vypadají uvnitř, zůstávají vnějšímu pozorovateli skryty za takzvaným horizontem událostí.

Hawking uvažoval o tom, že by se měla měnit teplota černé díry, stejně tak míra uspořádání povrchu horizontu událostí.

To je myšlená kulová plocha, která rozděluje prostor, odkud lze ještě z dosahu černé díry uniknout, a ten, kde už její gravitace vše pohltí. Tohle vše před lety shrnul americký fyzik John A. Wheeler do fráze, že „černé díry nemají chlupy“, tedy že mají pouze tři pozorovatelné vlastnosti. Ty další, včetně chlupů či vlasů, pro vnějšího pozorovatele neexistují.

Hawkingovy měkké chlupy

Všechna dvojčata se mohou od pohledu jevit stejně, ale mají stovky dalších vlastností, jimiž se budou odlišovat. To platí i o černých dírách, které bude považovat Einsteinova teorie relativity za identické, takže astrofyzici začali do Wheelerovy fráze šťourat. Stephen Hawking v roce 1975 zkřížil obecnou relativitu s kvantovou mechanikou a vznikl paradox, s nímž fyzika zápasí dodnes. Jedná se o to, že by kvantová informace měla za horizontem událostí „zmizet“.

Z fyzikálního hlediska to ovšem není tak jednoduše možné, takže Hawking uvažoval o tom, že by se měla měnit teplota černé díry, stejně tak míra uspořádání povrchu horizontu událostí. Tyto předpoklady vyústily v koncept takzvaných „soft hair“. V roce 2012 matematik Stefanos Aretakis vyslovil myšlenku, kterou doložil výpočty, že některé černé díry nemusí mít horizont událostí zcela neměnný. Tyto předpokládané nestability by dávaly některým oblastem horizontu černé díry silnější gravitaci než jiným. Aretakisovy rovnice ale pouze ukázaly, že je to možné pro takzvané extrémní černé díry, tedy takové, které mají maximální možnou hodnotu buď pro svou hmotnost, rotaci, nebo náboj. Takové, pokud je známo, ve vesmíru neexistují.

Ne moc extrémní díra

S tím se ovšem astrofyzici nespokojili a začali zkoumat možnost existence takové „téměř“ extrémní černé díry, která se přiblížila těmto mezním hodnotám, ale nedosáhla jich. Ta by mohla teoreticky existovat. Studie zveřejněná koncem ledna říká, že je to možné. Jeden z autorů studie Gaurav Khanna, profesor fyziky na University of Massachusetts a University of Rhode Island, říká, že Aretakis v podstatě vyslovil myšlenku, že na horizontu událostí nějaké informace zůstávají. Jakékoli narušení, třeba hmota padající do černé díry, by mohly vytvářet gravitační nestability na horizontu událostí černé díry nebo v jeho blízkosti.

Jestliže se teorie potvrdí v praxi, bude to mít skutečně obrovské důsledky pro obecnou relativitu.

„Očekáváme, že gravitační signál, který můžeme detekovat v observatoři gravitačních vln, se bude zcela lišit od běžných černých děr, které nejsou extrémní,“ uvádí Khanna. Astrofyzička Lia Medeirosová z Institutu pro pokročilá studia na Princeton University v New Jersey si myslí, že pokud černé díry mají „chlupy“, a zachovají si tak určité informace o své minulosti, mohlo by to mít důsledky pro slavný paradox informací o černé díře, který předložil zesnulý fyzik Stephen Hawking. „Pokud porušíte jeden z předpokladů informačního paradoxu, možná budete schopni paradox vyřešit sami,“ tvrdí astrofyzička. „Jedním z předpokladů je teorém bez chlupů.“

Lia Medeirosová, která je spoluautorkou studie, jde ještě dál a říká: „Jestliže se teorie potvrdí v praxi, bude to mít skutečně obrovské důsledky pro obecnou relativitu.“ Snad nejzajímavějším aspektem této studie je, že by získaná pozorování mohla poskytnout způsob, jak sloučit pozorování černých děr se základní fyzikou. Detekce „chlupů“ na černých dírách, které jsou vlastně nejextrémnější astrofyzikální laboratoře ve vesmíru, může poskytnout příležitost, jak si ověřit myšlenky, jako je teorie strun či kvantová gravitace (to jsou konkurenční teorie, které se snaží propojit teorii relativity s kvantovou mechanikou) způsobem, který doposud nebyl možný.