Před rokem v dubnu lidstvo poprvé spatřilo fotografii černé díry. Jakousi nevýraznou šmouhu kdesi v centru galaxie Messier 87 v souhvězdí Panny (Virgo). Výjimečné je to v tom, že světlo k nám letělo 55 milionů let.

„Snímek vznikl spoluprací osmi observatoří, jež se spojily do jednoho ohromného virtuálního teleskopu o velikosti celé planety Země. To je možná ještě ohromnější než samotná fotka,“ říká ve 13. rozhovoru pro 21. STOLETÍ astrofyzik Astronomického ústavu Akademie věd ČR RNDr. Jiří Svoboda, Ph.D. .

Vizitka

RNDr. Jiří Svoboda, Ph.D. (*1982)

vědecký pracovník Astronomického ústavu Akademie věd ČR.

člen skupiny relativistických astrofyziků

zabývá se fyzikou černých děr v aktivních galaktických jádrech a rentgenových dvojhvězdách.

Ve své práci využívá zejména družicová měření rentgenového záření z těchto zdrojů, které pak následně analyzuje s využitím nejnovějších astrofyzikálních modelů.

Třináctý rozhovor časopisu 21. STOLETÍ

Event Horizon Telescope – jeden z největších mezinárodních projektů Evropské jižní observatoře (ESO) – vyfotil světlo téměř z dob dinosaurů, černou díru vážící zhruba 6,5 miliard Sluncí. To vypadá jako splněný sen..

Naprostá bomba. Nicméně snímek sám o sobě nebyl zase tak překvapivý, a sice v tom smyslu, že vědecká komunita čekala, že černá díra tam je, protože je v galaxii, která se projevuje silným relativistickým výtryskem, kdy se rychlost proudu hmoty z centra blíží rychlosti světla do poměrně dalekých oblastí.

To ano, ale vyfotit něco 55 milionů let daleko…?

Právě v tom je ten snímek fantastický, že nám ukázal technologický pokrok, kterého jsme schopní. Nepředstavitelného úhlového rozlišení. Dalo by se to přirovnat k tomu, jako bychom vyfotili desetikorunu na povrchu Měsíce.

Opravdu je potřeba zdůraznit, že černá díra je v galaxii Messier 87 (M87), která je vzdálená 55 milionů světelných let! To znamená, že to světlo k nám putuje 55 milionů roků. A na to my koukáme skrze naši galaxii, přes mezihvězdný prostor, přes samotnou galaxii až do jejího centra, skrze spoustu dalších hvězd a různé hmoty.

Vidíme něco, co nám říká: „ano, tady opravdu září hmota, která je blízko černé díry, která tam brzo spadne, a v centru je opravdu stín, takové zeslábnutí.“.

Jde o vrchol pozorování vesmíru ze Země…

Aby se dosáhlo takového rozlišení, bylo by potřeba mít teleskop o velikosti celé naší planety. Takže technologický pokrok tkví v tom, že se podařilo sloučit pozorování z více rádiových teleskopů z povrchu Země.

Důležitou roli zde sehrály teleskopy v Mexiku, Spojených státech amerických i na jižním pólu, který byl důležitý právě pro tu vzdálenost. Neocenitelná byla ALMA (Atakamská velká milimetrová anténní soustava), infrastruktura Evropské jižní observatoře, kde se nachází 66 radioteleskopů.

Ty spolu však normálně komunikují a jsou spojené kabely. Zatímco u ostatních teleskopů bylo nutné mít přesné měření v čase, aby bylo jisté, kdy a co se měří. A následně dát vše v počítačových serverovnách dohromady a vytvořit snímek.

Zní to jako poměrně složitý proces.

Také, že byl. Vše muselo být perfektně synchronizované za pomoci atomových hodin. Pak se všechny harddisky daly dohromady a vyextrahovala se data z jednotlivých míst. Následně probíhala počítačová modelování.

Proto to trvalo spoustu let. Ke zveřejnění sice došlo v loňském roce, ale pozorování byla z roku 2017. Dva roky trvalo data zpracovat.

Samotný projekt Event Horizon Telescope se připravoval ještě déle…

Tuším, že dvě desetiletí. Dát vše dohromady, vylepšit jednotlivé přístroje tak, aby byly schopny citlivého měření na dané vlnové délce nebo vystavění dalších zařízení kupříkladu na jižním pólu, to vše zabralo neskutečného času.

Většina teleskopů, které byly zapojeny, ať už zmiňovaná ALMA nebo na Havaji, ve Španělsku a Francii, to jsou radioteleskopy, které měří a pozorují oblohu. Šlo jen o to zkoordinovat čas těchto observatoří tak, aby bylo měření černé díry jedním z jejich hlavních a klíčových cílů.

Bylo nutné přesvědčit také ředitele observatoří, že projekt má smysl, že se to podaří zrealizovat, i když to stojí hodně času.

Hádám, že je nebylo moc těžké přesvědčit, aby se zapojili do „největšího fotografického objevu“ 21. století?

Já jsem u přesvědčování nebyl… (smích). Ale myslím, že když seznali, že po propojení jednotlivých teleskopů to půjde, kývli ochotně. Dokonce ještě lepší případ, než je M87, je střed naší galaxie – totiž černá díra v centru Mléčné dráhy.

V naší galaxii se nacházejí stovky milionů černých děr. Právě astronomové z Evropské jižní observatoře (ESO) v čele s Thomasem Riviniusem objevili jednu, která je v současné době ze všech známých černých děr nejblíže Zemi, za humny – ve vzdáleností „pouhých“ tisíc světelných let. .

Ano, je ale menší než ta ve vzdálené galaxii, i když blíž a její úhlový průměr je větší. Jenže problém je v tom, že dosud nebyl publikován snímek naší galaxie (našeho centra) a že je naše galaxie poměrně neaktivní.

V tom smyslu, že na onu černou díru nedopadá tolik hmoty. Vidíme nějaké záblesky, vidíme že do černé díry něco padá, dochází k nějakému dopadu hmoty, ale je to spíše nahodilé a nevíme, jestli tam skutečně dochází k dopadu kontinuálně.

A trefit situaci, kdy tam něco spadne, nemusí být jednoduché na plánování. Zatímco u M87 víme, že tam vychází relativistický výtrysk a víme, že na černou díru dopadá podstatně více hmoty. Zřejmě proto byl první snímek černé díry u této galaxie.

Základní matrice znalostí o černých děr byla položena před více jak 100 lety. V roce 1915, kdy Albert Einstein zveřejnil svou slavnou obecnou teorii relativity. Dá se říci, že loňský rok byl v této oblasti znovu přelomový?.

Největší přelom byl nepochybně v tom roce 1915. Teorie relativity nám pomohla naprosto jinak chápat gravitaci i to, jak tyto věci fungují v extrémních podmínkách. Na druhou stranu tehdy o černých dírách nikdo netušil.

A ani Albert Einstein na ně nevěřil. Až vlastně rok poté, Karl Schwarzschild vyvodil z Einsteinových rovnic něco, co by se mohlo chovat jako černá díra. Singularita, okolo které je specifický poloměr, kde je úniková rychlost rovna rychlosti světla.

To byl vlastně takový matematický model černé díry. Ale dlouho se nevěřilo, že by vůbec mohly existovat. Další přelom nastal s rentgenovou astronomií, před zhruba půl stoletím, kdy se podařilo objevit velmi jasné, rentgenově svítivé, zdroje, které byly velkým překvapením.

Později se totiž ukázalo, že šlo o zdroje nesmírně malé rozměrově, ale poměrně těžké. Objev se nedal vysvětlit ani bílým trpaslíkem ani neutronovou hvězdou. Muselo jít o černé díry. A v 90. letech došlo k objevu, že spousta galaxií je aktivních, objevila se tzv. aktivní galaktická jádra.

A právě to studujete…

(smích) Ano… V centrech galaxií se nachází černé díry a u některých dochází k velkému dopadu hmoty na černé díry, čímž galaxie strašně moc svítí. Jedná se o tzv. Kvasary. Jsou sice daleko, ale enormně svítí.

A to právě proto, že v nich dopadá velké množství hmoty na černé díry a jádro dokáže přesvítit celou galaxii – má následně větší svítivost než 100 miliard hvězd v celé galaxii. Pomocí rentgenové astronomie se dařilo tyto objekty studovat, a řekl bych, že v našem oboru už poté prakticky nikdo nepochyboval, že tam existují černé díry. Až minulý rok byl přelomový tím, že jsme černou díru „vyfotografovali“.

Černé díry jsou jako žumpy, všechno pohltí. Ale něco se může dostat ven, ne?

Nevíme… Možná se černé díry mohou vypařovat. Když už se něco dostane za horizont událostí, je to pro nás ztracené. Neviditelné. V jejich nitru existuje singularita, kterou si moc neumíme představit, protože tam dochází k nekonečným hustotám. Těžko říct, co je uvnitř….

To by bylo na Nobelovu cenu, kdyby na to někdo přišel… Co Hawkingovo záření?

(smích). To by bylo. To, co uvažoval Stephen Hawking, bylo pro malé černé díry, třeba pro takové, které mají kvantové rozměry, a mohly by vzniknout velmi, velmi malé. Singularita následně není zase tak daleko od horizontu událostí a může se stát, že částice, která se dostane blízko toho horizontu událostí, z důvodů kvantové fyziky se pak rozpadne na částici a antičástici, a jedna z nich spadne více do hloubky středu, a druhá, aby byla zachována energie, tak se může – a to je další kvantový jev – protunelovat tím horizontem událostí.

Na této mikroskopické úrovni by mohlo vypařování fungovat – to je princip Hawkingova záření. My ale neznáme takto malou černou díru. Nejmenší, které známe s jistotou, jsou takové, jež vznikly kolapsem hvězd mnohem těžších než Slunce. Jejich jádro je tedy pro představu zhruba 3krát těžší než celé naše Slunce.

Box

Díra a díra

Ve vesmíru známe dva typy černých děr. Černé díry hvězdných hmotností, které jsou pozůstatky po vývoji velmi hmotných hvězd, a pak černé veledíry v jádrech galaxií, jejichž hmotnosti se počítají na miliony až miliardy hmotností Slunce.

Mezi těmito dvěma extrémy černé díry nepozorujeme, byť nepřímé indicie naznačují, že i takové ve vesmíru existují. Jsou-li černé díry obou typů obklopeny materiálem, probíhá na nich akrece (narůstání – v astronomii gravitační proces).

Dodavatelem v případě hvězdných černých děr jsou obvykle blízké gravitačně vázané hvězdy, proto se mluví nejčastěji o rentgenových dvojhvězdách. Nejznámějším zástupcem rentgenových dvojhvězd je zdroj Cygnus X-1, první potvrzená černá díra vůbec.

Naproti tomu v centrech galaxií je obvykle materiálu dost přirozeně. V některých je hmoty více, takové skupiny galaxií pak označujeme jako galaxie s aktivními galaktickými jádry (AGN).

Dnes má výzkum vesmíru víceméně už jen mezinárodní charakter. Jako třeba projekt ATHENA (Advance Telescope for High-Energy Astrophysics).

ATHENA představuje velkou misi Evropské kosmické agentury (ESA) určenou ke zkoumání horkého a energetického vesmíru se zaměřením na pochopení, jak superhmotné černé díry v centrech galaxiích vznikly. Teleskop by měl být vypuštěn tak za 10–11 let.

My jsme součástí týmu, v jednom vědeckém detektoru, který bude na palubě. Půjde o X-IFU (X-ray Integral Field Unit). Zařízení v detektoru bude využívat mikrokalorimetrie, takže bude poměrně velmi přesně měřit příchod každého rentgenového fotonu i z mnohem vzdálenějších částí vesmíru, než je M87 – i na vzdálenost mnoha miliard světelných let.

Každý rentgenový foton, který do detektoru přiletí, v něm vyvolá maličké zvýšení tepla. To se zaznamená a díky tomu se zjistí jakou měl energii, odkud přišel a na základě tohoto záření se budeme snažit pochopit, jak superhmotné černé díry vznikly právě v centrech galaxií.

Půjde o velkou misi, kterou ESA pošle do Lagrangeova bodu – místa, několik desítek kilometrů od Země, kde se vyrovnávají gravitační síly Země a Slunce. Bude ve volném kosmu, nerušeně pozorovat celou oblohu, především nejzajímavější zdroje, které by nám mohly přinést odpovědi.

Česká věda je vůbec aktivní v mezinárodních vesmírných projektech – třeba program Vesmír pro lidstvo.

Jde o strategii Akademie věd s cílem vypíchnout důležitá témata, které mají uplatnění v praxi, nebo mají potenciál vybudovat spolupráci mezi jednotlivými ústavy Akademie věd a dál – s průmyslem, se státní správou, s univerzitami.

Vesmír pro lidstvo sdružuje 12 ústavů Akademie věd, které mohou spolupracovat a vyměnit si zkušenosti v rámci různých kosmických projektů. Proto je kosmických projektů v programu Vesmír pro lidstvo tolik.

Víceméně se v České republice v tuto chvíli snažíme zapojit do všech významných misí Evropské kosmické agentury.

Box

Vesmír pro lidstvo

Sonda Solar Orbiter Evropské kosmické agentury ESA letí ke Slunci. Za pár let uvidíme Slunce tak, jak ho dosud nikdy nikdo neviděl – spatříme jeho póly. Na čtyřech z 10 vědeckých přístrojů pracovali Češi.

Sonda JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer) zamíří k planetě Jupiter a jejím měsícům.

ExoMars bude povrchový modul a první neamerický planetární rover.

 

A to se daří… Češi jsou součástí všech středně velkých a velkých misí. Mise Solar Orbiter, mise Juice i mise ExoMars.

Juice bude nejdřív, v roce 2022. Sonda by měla k Jupiteru doletět v roce 2030 a prozkoumat ledové měsíce, jejich složení, co je pod nimi (dost možná tekutá voda). Bude měsíce zkoumat komplexně. Jak mohou kolem Jupitera existovat, jak spolu interagují, jejich magnetické pole.

Jeden z měsíců je velmi silný, vulkanický a sám generuje magnetické pole, takže nás zajímá, jaká je jejich struktura a jak spolu komunikují.

Jupiter by měl mít aktuálně už 79 měsíců, možná JUICE objeví další…

To je možné, ale není to hlavním cílem. Ostatně, od určitého počtu už to člověka přestane bavit počítat (smích). Důležité jsou ty největší a hlavní: Io, Europa, Ganymed a Callisto. Myslím si, že Genymed bude jeden z měsíců, který bude mise zkoumat detailněji.

V Evropské kosmické agentuře je Česko 12 let. Upevňuje se naše pozice?

Stoprocentně. Hlavně získáváme zkušenosti, kontakty, technologické know-know.

Roční příspěvek České republiky do Evropské kosmické agentury činí 59 milionů eur. Po očištění nákladů se suma vrací formou zakázek pro domácí firmy a vědu. Za těch 12 let se české firmy, akademie věd a vědecká pracoviště podílely na 23 družicích a sondách, které ESA realizovala – celkem pak na 350 projektech..

V budoucnu budeme ještě aktivnější. Třeba u ATHENY se vytvořilo konsorcium 15 různých zemí, včetně Spojených států amerických, kde jsme i my. My tam budeme hrát určitou roli, finančně se na tom budeme podílet ani ne 1 %, ale jsme součástí velkého týmu. Můžeme na misí být a podílet se na výstavě špičkových detektorů.

Jan Zelenka