Jiri Grygar, Zen objevu 1993

10. Obecna teorie relativity, cerne diry

Ke klasickym astrofyzikalnim testum obecne teorie relativity (OTR) - staceni pericentra eliptickych drah planet ci hvezd, gravitacni cerveny posuv ve spektru hmotnych hvezd a ohyb svetla v gravitacnim poli hvezdy ci galaxie - pribyl pred ctvrtstoletim ctvrty - tzv. Shapiruv jev. Jde o gravitacni zpozdeni signalu, probihajicich v blizkosti mezilehle tezke hmoty. Shapiruv efekt byl uspesne pozorovan pri radarovych sledovanich Venuse (v uhlove blizkosti ke Slunci) a pri komunikaci s meziplanetarnimi sondami. Nyni uvadeji F. Camilo aj., ze Shapiruv efekt lze pozorovat u loni objeveneho binarniho milisekundoveho pulsaru PSR 1713+0747, ktery vykazuje impulsni periodu 4,57 ms a obeznou dobu hvezdneho pruvodce 67,8 dne. Jde o system zhruba stejne stary jako Galaxie, vyznacujici se nizkou hmotnosti pruvodce pod 0,2 MO. Nicmene vysoka stabilita "hodin" na milisekundovem pulsaru dovoluje urcit Shapirovo zpozdeni v dobe, kdy se obe slozky tesne dvojhvezdy dostavaji temer do zakrytu. Tim se poprve zdarilo pozorovat Shapiruv efekt daleko mimo slunecni soustavu.

A. Gould uvadi, ze efekty OTR byly dosud potvrzeny v rozmezi vzdalenosti od 109 do 1021 metru a v intervalu hmotnosti od 10-3 do 1013 MO. Nyni prinasi nove moznosti astrometricka druzice HIPPARCOS,ktera jiz dle M. Perrymana dokazala overit predpoved OTR pro velikost ohybu svetla v okoli Slunce s vytecnou presnosti 0,7%. Druzice vsak nabizi moznost rozsirit overovani efektu ohybu svetla o dva rady ve stupnici vzdalenosti a o tri rady ve stupnici hmotnosti, jelikoz je schopna zmerit velikost efektu v okoli Zeme. Podle OTR cini tento ohyb v blizkosti Zeme asi 40 obloukovych mikrovterin, a presnost mereni Hipparcose (pro velky soubor hvezd) dosahuje 5 obloukovych mikrovterin.

P. Davies rozebral popularni otazku, zde lze uskutecnit stroj casu, ktery poprve uvazoval spisovatel sci-fi H.G. Wells v r. 1895. Jistym naznakem, ze by se stroj casu mohl realizovat, se stala specialni teorie relativity (STR) z r. 1905, v niz se poprve presne definoval efekt dilatace casu a znamy paradox dvojcat. Po vzniku OTR uvazoval K. Schwarzschild jiz r. 1916 o specialnim pripadu casoprostorovych zkratek, nazvanych pozdeji cervi diry. V r. 1948 objevil H. Casimir efekt negativniho tlaku v uzkych mezerach mezi shodne nabitymi vodivymi deskami, jenz je neprimym dukazem existence mikroskopickych cervich der o rozmerech radu Planckovy delky 10-35 m. Teorii cervich der pak rozpracoval zejmena J. Wheeler (rovnez autor terminu "cerna dira").

V r. 1985 napsal C. Sagan vedecko-fantastickou novelu "Kontakt", v niz se vyuziva cervich der jako tunelu ci mostu pri cestovani casem. Touto novelou se dali inspirovat K. Thorne aj. k rozboru podminek, za nichz by se Saganuv napad mohl fyzikalne uskutecnit. Jejich odpoved zni, ze by to v zasade bylo mozne, i kdyz technicke podminky pro realizace stroje casu jsou nesmirne obtizne. J. Gott dokonce teoreticky ukazal, ze existuji jednoduche prostory, v nichz mohou vznikat casove smycky - rovnez popularni rekvizita autoru literatury sci-fi. Nicmene S. Caroll aj. tvrdi, ze prakticky nelze stroj casu realizovat, jelikoz v otevrenem kosmologickem modelu vesmiru nema zadny podsystem dost energie, aby vznikla uzavrena casova smycka. Toto tvrzeni je obsahem teoremu S. Hawkinga a F. Tiplera, kteri tim koncepci stroje casu vlastne fyzikalne pohrbili.

Pro ty, kdo se citi zklamani zakazy teoreticke fyziky, mohu nabidnout studii R. Nemiroffa, ktery se zabyval gravitacnimi deformacemi obrazu v okoli neutronovych hvezd a cernych der. Ukazal, ze za specialnich podminek muze takto umisteny pozorovatel videt sam sebe! Dalsim takovym paradoxnim objevem je zjisteni M. Abramowicze, ze zkusebni objekt, obihajici v tesne blizkosti cerne diry, pocituje odstredivou silu smerujici dovnitr cerne diry, coz ma zajimave astrofyzikalni dusledky zejmena pro akrecni disky cernych der. Autor uvadi, ze efekt poprve studoval v r. 1975, ale jeho plny vyznam pochopil az v r. 1985. Pripomina tez, ze v posledni dobe dosahl pri studiu paradoxu dulezitych vysledku nas fyzik Z. Stuchlik.

Konecne W. Hiscock a C. Callan aj. rozebrali podrobne otazku, co se vlastne deje s informacemi, ktere se spolu s nejakou hmotou zhrouti do cerne diry. Pro vnejsi vesmir jsou v tu chvili tyto informace ztraceny, a to i tehdy, kdyz se zhroucena cerna dira posleze zacne vyparovat Hawkingovym procesem. Podle Hawkinga ma totiz vystupujici zareni presne tepelny charakter, a nenese jinou informaci nez o okamzite hmotnosti cerne diry. Jelikoz kvantova teorie gravitace zatim neexistuje, muzeme jen hadat, co se se skrytymi informacemi nakonec stane. Je napriklad myslitelne, ze ve skutecnosti se objevi nejake odchylky od dokonale tepelneho Hawkingova zareni, ktere tak do vnejsiho vesmiru prece jen skrytou informaci nakonec vynesou. Dalsi moznosti je, ze tesne pred explozivnim koncem Hawkingova vyparovani zustane pod horizontem elementarni kvantum hmotnosti - tzv. Planckova hmota radu 10-8 kg a rozmeru 10-35 m - ktere se uz nevypari. V tom pripade se nashromazdene skryte informace stesnaly do nejmensiho myslitelneho objemu ve vesmiru, a tam zustanou navzdy nedostupne. Treti moznost je pak vcelku klasicka, tj. cerna dira se vypari beze zbytku, zadne odchylky od tepelneho spektra pozorovany nebudou a ukryte informace jsou dokonale ztraceny.

Posledni poznamka v podkapitolce o paradoxech STR a OTR se tyka otazky, zda existence vztazne soustavy, v niz je reliktni zareni izotropni, neni v rozporu s relativitou. Odpoved zni, ze nikoliv, jelikoz princip relativity tvrdi, ze fyzikalni zakony plati pro fyzikalni systemy nezavisle na vztazne soustave; nikoliv, ze jsou nezavisle stavy techto systemu. Existence reliktniho zareni tedy nikterak neohrozuje platnost postulatu OTR resp. STR.

E. Antochinova aj. uvadeji, ze nejnadejnejsim kandidatem na hvezdnou cernou diru je tesna dvojhvezda V 404 Cygni s funkci hmotnosti f(M) = 6,3 MO a orbitalni periodou 6,47 dne, jejiz svetelna krivka vykazuje silny efekt elipticity. Pruvodcem je obri hvezda spektralni tridy G-K, ktera prenasi hmotu na relativisticky degenerovany objekt. Podle C. Haswella aj. je nejblizsim kandidatem na hvezdnou cernou diru rentgenova nova A 0620-00 ve vzdalenosti 1 kpc. Na jeji opticke svetelne krivce lze rozpoznat tecny zakryt pruvodce akrecnim diskem, obklopujicim kompaktni slozku. Jelikoz hmotnost pruvodce nepresahuje 0,8 MO, plyne odtud hmotnost kompaktni slozky v rozmezi od 4,2 do 5,6 MO.

A. Tutukov a A. Cerepascuk shrnuli ve sve studii parametry peti v soucasnosti nejnadejnejsich kandidatu na hvezdne cerne diry, z nichz je jeden extragalakticky:

ÚÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÂÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ¿
³     Objekt    ³     Sp. trida       ³Obezna doba ³
³               ³     pruvodce        ³    (dny)   ³
ÃÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÅÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄ´
³    Cyg X-1    ³     O 9,7 Iab       ³     5,6    ³
³    LMC X-3    ³  B (3-6) (II-III)   ³     1,7    ³
³   A 0620-00   ³     K (5-7) V       ³     0,3    ³
³   V 404 Cyg   ³  G 9 V - K 0 III    ³     6,5    ³
³ XN Mus (N 1991³     K 0 - K 4 V     ³     0,4    ³
ÀÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÁÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÄÙ

K. Brecher se domniva, ze existuje jakysi prechodny objekt mezi neutronovou hvezdou a "pravou" cernou dirou. Melo by jit o mimoradne kompaktni a hmotne neutronove hvezdy s hmotnosti od 5 do 10 MO, ktere gravitacne zachyti valnou cast zareni ve svem okoli, takze jsou zvenci temer neviditelne - do vnejsiho prostoru se dostane jen 0,4% zariveho vykonu neutronove hvezdy. Pro tyto prechodne objekty, ktere by se mohly vyskytovat v nekterych rentgenovych dvojhvezdach, navrhuje termin "sede diry".

Jak znamo, z OTR vyplyva existence gravitacnich vln, o jejichz detekci se snazi - zatim bezuspesne - uz druha generace fyziku. Intenzita gravitacniho zareni z rozlicnych astrofyzikalnich procesu je totiz tak nizka, ze se pripadny signal utopi v sumu. C. Kochanek a T. Piran povazuji za nadejne kandidaty detekce procesy splynuti dvojhvezdy, vyvolane obvykle ztratou energie systemu prostrednictvim tehoz gravitacniho zareni. Splynuti by vsak melo byt doprovazeno gravitacnim zableskem, jenz by dle mineni autoru nasledoval po vzplanuti v oboru zareni gama. To prakticky znamena, ze vzapeti po zjisteni vzplanuti zableskoveho zdroje zareni gama (GBS) bychom meli v danem smeru objevit prechodny zdroj gravitacnich vln, coz by detekci gravitacniho zareni usnadnilo. Citlivost dane aparatury by se tim asi dvakrat zvysila a pocet zaznamenanych zdroju by vzrostl asi trikrat. Z intervalu mezi prichodem paprsku gama a gravitacnich vln by se dokonce dala odhadnout geometrie jevu.

S ponekud kurioznim navrhem prisli P. Das Gupta a J. Narlikar, kteri vychazeji z jiz zminovane Hoylem oprasene hypotezy ustaleneho stavu vesmiru s "malymi velkymi tresky", pri nichz vznika hmota. Pruvodnim jevem techto malych velkych tresku by mely byt silne zablesky gravitacniho zareni, zcela snadno zjistitelne stavajicimi gravitacnimi detektory typu LIGO. Kdyby se tak stalo, byl by to dle obou autoru silny dukaz, ze nebyl zadny pocatecni velky tresk - jinymi slovy, vesmir by nemel pocatek v case. adoxne dosud prilis dobre nezname absolutni hodnotu konstanty, kterou fyzikove urcuji v laboratornich pokusech - na vine je jiz pripominana "slabost" gravitacni interakce. Loni uverejnili G. Gillies a A. Sanders vysledky zatim nejpresnejsich mereni, podle nichz G = 6,6725.10-11 m3 kg-1 s-2 .

Fyzikove take loni zmerili zatim nejdelsi znamy polocas rozpadu radioaktivniho nuklidu 128Te, totiz 7,7.1024 let. V porovnani s tim je dosavadni stari vesmiru od velkeho tresku pouhym okamzikem. K tomu poznamenava vyznamny nestor svetove fyziky V. Weisskopf, ze napodobeni podminek, ktere ve vesmiru panovaly v prvnich minutach po velkem tresku, je nepredstavitelne nakladne - tak, ze se lidstvo mozna nikdy neodhodla takovy projekt financovat.

Weisskopf se obava vseobecneho odlivu zajmu verejnosti o podporu zakladniho vedeckeho vyzkumu a doporucuje, aby tomu vedci celili soustavnejsi a agresivnejsi popularizaci vedy v masovych sdelovacich prostredcich. Pokud jde o fyziku, znamy rusky fyzik J. Pomerancuk nabizi definici, ktera je urcite siroce srozumitelna. Podle neho je totiz fyzika vedou o vakuu. Sklada se z fyziky klasicke, tj. nauka o pumpach a manometrech, a dale z fyziky moderni, tj. teorie kvantoveho vakua...