Rozhovor: Vladimír Karas – Otáčení černých děr

Jaká je dnes představa o černých děrách?
Na černé díry se můžeme dívat ze dvou pohledů. Z jedné strany jsou to matematické objekty, které byly předpovězeny Einsteinovou teorií gravitace. Tato předpověď vznikla krátce po zformulování Einsteinovy teorie, ale určité modely byly známy už před tím. V té době, na počátku a v polovině minulého století, to byly čistě hypotetické, tak říkajíc matematické konstrukce. Myslím, že málo fyziků předpokládalo, že by vůbec mohly ve vesmíru takovéto objekty skutečně existovat. Bylo to tedy do jisté míry značné překvapení, když se existence černých děr potvrdila ve druhé polovině 20. století. Dnes víme, že se jedná o tělesa s extrémně silnou gravitací. Ta je tak silná, že z tohoto objektu nemůže uniknout ke vzdálenému pozorovateli dokonce ani světlo, které se pohybuje maximální povolenou rychlostí ve vesmíru. Vše je tak říkajíc přitaženo zpět a tudíž tyto objekty nemůžeme přímo pomocí nějakého záření pozorovat. Můžeme pouze pozorovat jejich gravitační vliv na jejich blízké zářící objekty.

Vy se zabýváte rotací černých děr. Proč je důležité vědět, jak se otáčejí?
Rotace je fyzikální charakteristika, kterou můžeme spojit s mnoha objekty. Země rotuje, planety i hvězdy se otáčejí. V tomto směru by se mohlo zdát, že to není příliš zajímavé. Ta zajímavost plyne z té matematické podstaty černých děr. V jistém smyslu jsou to objekty neobyčejně jednoduché. Na jednu stranu se nám zdá, že je to nesmírně komplikovaná záležitost vyplývající z matematicky složité Einsteinovy teorie, ale na druhou stranu jsou vlastně matematicky jednodušší, než právě třeba planety nebo hvězdy. Ta jednoduchost černých děr spočívá v tom, že je lze popsat pomocí pouze tří charakteristik a těmi jsou hmotnost, rotace a elektrický náboj. To je samozřejmě nesmírné zjednodušení popisu ve srovnání třeba se zmíněnými planetami, u kterých záleží na detailním tvaru nebo chemickém složení. Planety mají nekonečné množství stupňů volnosti, které musíme znát, abychom je dokonale popsali, zatímco u černých děr stačí ta zmíněná tři čísla. Hmotnost měříme podobným způsobem jako hmotnosti planet a hvězd, čili tato technika je dobře zvládnutá už z dřívější doby. Elektrický náboj u astronomických objektů není až tak důležitý, u kosmických těles je v podstatě nulový nebo velice zanedbatelný. Proto nám zbývá ta rotace jako charakteristika, kterou dosud úplně dobře neznáme a chceme ji k úplnému popisu kosmických černých děr zjistit a změřit.

U kolika černých děr je rotace známa? A existují nějaké limity - třeba černé díry, které se prakticky neotáčí?
Kosmických černých děr známe řádově několik desítek kandidátů s větší nebo menší jistotou. Ta nejistota pochází z toho, že černé díry nezáří a není tedy snadné je zjišťovat a u některých objektů máme jen nepřímé indikace, že se o černé díry jedná. Z matematické teorie plyne ještě jedna zajímavá vlastnost, že černé díry se nemohou otáčet libovolně rychle. Je to trochu podobné jako u planet nebo hvězd. Pokud by se točily příliš rychle, tak by se rozpadly – prostě existuje horní limit pro maximální rotační rychlost, kterou mohou získat. Zdá se, že velká část známých černých děr se otáčí poměrně rychle. Nejsou v klidu, naopak jejich rychlost se blíží maximální rotační rychlosti. Zřejmě je to způsobeno tím, že ze svého okolí pohlcují plyn, který nejprve kolem černé díry krouží, než je přitažen a vcucnut do ní. A právě tím, jak obíhá, dodává černé díře energii, roztáčí ji a proto má řada černých děr velkou rotační rychlost.

Jak se dá změřit rychlost otáčení u objektu, který nevidíme?
To je samozřejmě složitá věc a složitá otázka. Astronomie samozřejmě veškeré informace o vesmíru získává pomocí světla, pomocí záření. Takže jestliže černé díry nezáří, tak jediný způsob, jak zjišťovat informace o černých dírách, je pomocí záření blízkých objektů. Jestliže nějaká hvězda, nebo zářící plyn obíhá v blízkosti kolem černé díry, tak můžeme pozorovat tu hvězdu, spektrální čáry takového zářícího tělesa. Na rotaci černé díry tudíž usuzujeme ze záření blízkých objektů, ne přímo černé díry. Můžeme zjistit, jak rychle plyn obíhá a protože právě v Einsteinově teorii relativity vliv gravitačního pole záření je poměrně specifický, tak ze spektrálních charakteristik a ze světelných křivek můžeme právě vydedukovat, jak rychle se ta nezářící černá díra otáčí.