Může být u černé díry obyvatelná planeta? Podle českých fyziků ano

Ať je vaše vysněná adresa jakákoliv, zřejmě nepřijde s úžasnějším nápadem než tým fyziků ze Slezské univerzity v Opavě. Ti si totiž položili otázku, zda by se dalo najít vhodné místo k životu na oběžné dráze černé díry.

Navázali tak na předchozí práci olomoucko-opavského týmu uveřejněnou poprvé roce 2017 (práce je dostupná zdarma zde na arXiv.org). Tehdejší studii do značné míry inspiroval film Interstellar (a jeho dosti, byť ne zcela přesná fyzika), ve kterém kolem černé díry skutečně obíhá planeta s parametry podobnými Zemi. Výsledky tehdy naznačily, že teoreticky něco takového možné je.

Dalším krokem bylo zjistit, jaké parametry by musela její dráha přesně mít, aby se co nejvíce podobala Zemi. „Je to stále intelektuální cvičení, ale zároveň nás zajímala přesná čísla,“ říká Pavel Bakala, hlavní autor článku vydaného v lednu časopisem The Astrophysical Journal (najdete ji na arXiv.org). Pod prací jsou dále podepsáni Jan Dočekal a Zuzana Turoňová, také ze Slezské univerzity. (P. Bakala značnou část výzkumu udělal během pobytu na observatoři v Římě, kterou provozuje výzkumná agentura INAF)

Černé a chladné „slunce“ nad hlavou

Situace je ovšem v jednom důležitém ohledu zcela opačná, než jsme zvyklí z naší soustavy. V černé díře všechno záření mizí, je tedy naprosto chladná. Obrazně řečeno tak musí „vysávat“ teplo také z případných objektů ve svém okolí. Ovšem extrémní gravitace v okolí černé díry to do jisté míry dokáže napravit.

Zdaleka ne všechno záření, které se k takovému objektu přiblíží, totiž skončí pohlceno. Velká část se sice v gravitačním poli planety ohne, ale pak zamíří zase pryč. „Toto je velké zjednodušení, ovšem můžete si to představit tak, že záření z okolí padá do gravitační studny kolem černé díry, a přitom nabírá energii,“ vysvětluje Bakala. Ukázalo se, že k ohřátí takové hypoteticky planety kolem černé díry by mělo stačit zbytkové záření z doby těsně po Velkém třesku, v češtině označované jako reliktní (či také kosmické mikrovlnné pozadí).

Jak komplikovaný je pohyb světla v okolí černé díry, ukazuje pohled na vizualizace plynového disku kolem černé díry z filmu Interstellar. Gravitací nezkreslený obraz disku je nahoře, hlavní obrázek ukazuje, jak by se jevil kolem rychle rotující černé díry. Obraz je několikanásobný, a díky ohybu světla v gravitaci černé díry je vidět i část disku, která by byla normálně skrytá za objektem.

Původně mělo velmi vysokou teplotu, stejně jako celý vesmír. Jak se zvětšoval, teplota reliktního záření klesala. Reliktní záření se totiž „natahovalo“, tedy zvyšovala se jeho vlnová délka, což přímo vede ke snižování energie a tedy teploty.

Za běžných podmínek má teplotu 2,73 Kelvina, tedy jen těsně nad absolutní nulou (cca -273°C). Ale v extrémním gravitačním poli černé díry se může za určitých podmínek vlnová délka reliktního záření výrazně zkrátit, a jeho teplota tím pádem znovu zvýšit. Dokonce poměrně výrazně: podle výpočtů by planety v okolí černé díry mohly mít teploty řádově stovek stupňů Celsia. Konkrétně vodní planeta z filmu Interstellar by měla nejspíše povrchovou zhruba 900 °C.

Což je samozřejmě příliš. Ale existují podmínky, za kterých by planeta byla něco mezi Marsem a Venuší, tedy zhruba Země? Pavel Bakala byl sám tak trochu překvapený, ale matematické modely založené na dobře známých základech obecné teorie relativity naznačují, že ano. Musí to být ovšem hodně specifické okolnosti.

• -25 %
  
  Získat slevu
  S kartou Visa poukaz 500 Kč na další nákup.
• -20 %
  
  Získat slevu
• -25 %
  
  Získat slevu
  S kartou Visa poukaz 15 % na další nákup.
• -20 %
  
  Získat slevu
• -20 %
  
  Získat slevu
• -15 %
  
  Získat slevu
  S kartou Visa poukaz 10 % na další nákup.
• -20 %
  
  Získat slevu
  Dodatečný bonus při platbě kartou Visa.
• -20 %
  
  Získat slevu
  S kartou Visa 1+1 na nápoje Coffizz.
• -30 %
  
  Získat slevu
  S kartou Visa poukaz 500 Kč na další nákup.
• -25 %
  
  Získat slevu
  S kartou Visa poukaz 20 % na další nákup.
• -15 %
  
  Získat slevu
  S kartou Visa sleva 15 % na další nákup.
• -20 %
  
  Získat slevu
• -20 %
  
  Získat slevu
  S kartou Visa na prodejně sleva +3 %.
• -25 %
  
  Získat slevu
  S kartou Visa poukaz 500 Kč na další nákup.
• -33 %
  
  Získat slevu

Stabilní dráhu by planeta mohla zaujmout jen u otáčející se černé díry, která by rotovala kolem své osy rychlostí téměř rovnou rychlosti světla. Černá díra musí mít také velkou hmotnost, zhruba nad 163 milionů Sluncí (pro srovnání, černá díra ve středu naší galaxie má hmotnost kolem čtyř milionů Sluncí). Slapové síly menších černý děr by planetu brzy roztrhaly.

Hypotetická planeta by musela také obíhat velmi blízko horizontu událostí, tedy hranici, za kterou není návratu ani pro hmotu, ani pro světlo. „Planeta se pohybuje dosti rychle, řádově v desetinách rychlosti světla,“ vysvětluje Bakala. Pohyb planety ještě „zkracuje“ vlnovou délku na ni dopadajícího reliktního záření (a tedy ho znovu otepluje díky tzv. Dopplerovu efektu). To je podle práce druhý důležitý jev, který přispívá k zahřívání této hypotetické planety.

Pohled na oblohu z jejího povrchu by byl nevšední: zhruba polovinu oblohy by zabírala obří černá skvrna, tedy stín černé díry. Připomínáme, že samotná černá díra je nepozorovatelná, vidíme jen na kraj oblasti, za kterou pak světlo do tohoto objektu nenávratně padá. Jedna překvapivá podobnost se Zemí by se ovšem našla. „Přicházející záření by se soustředilo do jednoho bodu, do jakéhosi pseudoslunce,“ říká Bakala. Zhruba 99 procent dopadajícího záření by tedy přicházelo z jedné konkrétní malé oblasti na obloze.

Pseudoslunce by ovšem zářilo poněkud jinak než naše Slunce. Na planetu by dopadalo především ultrafialové záření. Takže by na ní těžko mohl vzniknout život v pozemské podobě.

Vizualizace pohledu na planetu na nízké oběžné dráze černé díry v různých fázích pohybu po orbitě. Simulace ukazují, jak by se podoba planety zdeformovala v silném gravitačním poli černé díry, tak i to, kterým směrem by se posunovaly barvy (k modré či naopak červené) v té či oné pozici. Posun záleží na tom, jak se zkracuje, či prodlužuje délka záření vzhledem k pozorovateli.

Problémem by bylo i okolí. Když do černé díry padá hmota, uvolňuje se při tom významné množství záření, které by planetu nepochybně sterilizovalo. Ještě katastrofičtější by při této rychlosti oběhu byla srážka s jiným, byť třeba malým objektem. A tak by taková hypotetická planeta příhodná pro život musela existovat pouze u starých černých děr, které hmotu ze svého okolí pozřely.

Také není zcela jasné, jak by se vlastně taková planeta mohla k černé díře dostat. Vzniknout by tam mohla jen těžko, na to jsou podmínky příliš nestabilní. Případný život by také neměl na vývoj příliš mnoho času, protože v extrémních podmínkách kolem černé díry plyne mnohem rychleji: řádově tisíckrát rychleji než na Zemi.

Ale to všechno není důležité, protože o hledání života v okolí černých děr tak úplně nešlo. „Jde hlavně o intelektuální cvičení, které má povzbudit uvažování a zájem nejen studentů,“ vysvětluje Pavel Bakala.