Mohou černé díry vymírat? Hawkingovo záření
V roce 1974 Stephen Hawking ukázal něco, co nikdo nečekal: černé díry nejsou zcela černé. Kvantová fyzika jim dovoluje velmi slabě zářit — a tím ztrácet hmotu. Černá díra se tak postupně vypařuje. Pro hvězdnou černou díru to trvá déle než věk vesmíru, ale princip mění vše: černé díry nejsou věčné.
© / kredit: ESO/Voggel et al.; ESO/VST ATLAS team. Acknowledgement: Durham University/CASU/WFAU · Zdroj · VST ATLAS team · CC BY 4.0 · Úpravy: zmenšení a kredit.
Paradox: nic neunikne, přesto něco uniká
Z klasické fyziky plyne, že z černé díry neunikne nic — ani světlo, proto je černá. Ale Hawking zkombinoval obecnou teorii relativity s kvantovou mechanikou a došel k opačnému závěru: černá díra musí zářit, a to čím dál tím víc, čím je menší. Odborníci tomu zprvu nevěřili — teorie samotná předpovídala, že černá díra, definovaná jako objekt, z něhož neuniká nic, něco vyzáří. Ukázalo se ale, že při spojení obou teorií je to nevyhnutelné. Hawkingovo záření patří mezi nejvýznamnější objevy teoretické fyziky druhé poloviny 20. století — a stále čeká na přímé pozorování.
Jak záření vzniká
Vysvětlení vychází z kvantové nejistoty: vakuum vesmíru není prázdné, ale neustále v něm vznikají páry virtuálních částic — částice a antočástice, které se okamžitě znovu anihilují. U horizontu událostí se může stát, že jedna z dvojice za horizont spadne a druhá unikne. Pro vnějšího pozorovatele pak vypadá, jako by černá díra emitovala částici — jako by slabě zářila. Druhý pohled: energie unikající částice se musí někde vzít. Bere se z hmotnosti černé díry. Každý odlet jedné částice znamená, že černá díra o kousek zhubne. Vypařování následuje ze zákonitosti, ne ze shody náhod.
Výparník nesmírné trpělivosti
Hawkingova teorie má paradoxní vlastnost: čím hmotnější černá díra, tím chladněji září. Supermasivní černá díra v centru galaxie má teplotu zlomku kelvinu — méně než reliktní záření, kterým je obklopena, takže do ní proudí více energie, než kolik vyzáří. Vypařovat se začne až poté, co vesmír dostatečně vychladne. Výpočty říkají, že vypařování hvězdné černé díry trvá zhruba 10^67 let — to je číslo s 67 nulami, miliardkrát déle než stáří vesmíru. Vymírání černých děr je tedy teoretický proces, který nikdo nikdy neuvidí. Poslední okamžiky by ovšem byly impozantní: teplota roste, záření sílí a malá černá díra skončí explozí — posledním výkřikem hmoty, která se vrací vesmíru.
Kam zmizí informace?
Hawkingovo záření otevřelo největší paradox teoretické fyziky, tzv. informační paradox černých děr. Podle kvantové mechaniky informace nikdy nezaniká — jen se přeměňuje. Ale pokud se černá díra vypaří do čistého, neinformovaného záření, informace o tom, co do ní spadlo, navždy zmizí. To kvantová fyzika zakazuje. Hawking dlouho trval na tom, že informace mizí — a vsadil se o to s fyzikem Johnem Preskillem (sázka: baseballová encyklopedie). V roce 2004 sázku prohrál: přiznal, že informace uniká se zářením, byť v zakódované podobě. Přesný mechanismus je předmětem výzkumu dodnes — paradox nebyl vyřešen, jen zúžen.
Kde by se dalo hledat
Hawkingovo záření bylo potvrzeno jen nepřímo — v laboratorních analogiích (například v proudění tekutin napodobujících horizont událostí) a v jevu podobném zeslabování akustických vln u supersonického proudění. Přímé pozorování u skutečné černé díry zatím neexistuje: záření je příliš slabé pro naše detektory. Pozornost budí mikroskopické černé díry — hypotetické zbytky z raného vesmíru, které by se mohly vypařovat právě teď a v signálu detektorů by zářily jako charakteristické spršky částic. Kdyby některý detektor něco takového zachytil, znamenalo by to Nobelovu cenu — a konec života jedné mikroskopické černé díry.
Proč je to zajímavé právě pro vás?
Hawkingovo záření je jedním z mála míst, kde se potkávají dvě největší teorie fyziky — gravitace a kvantová mechanika — a ukazuje, že spolu zatím nefungují. Právě v tomto rozporu se skrývá fyzika 21. století: teorie kvantové gravitace. Černá díra, kterou nikdy neuvidíte, vám tak ukazuje hranici lidského poznání. A paradox, který vznikl, když se Hawking vsadil o encyklopedii, dosud nikdo neuzavřel.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)