Novinky

Astronomický ústav dostal darem miniaturní černou díru

Upozorňujeme, že zpráva byla vydána 1. dubna 2009.

Astronomický ústav AV ČR dostal od Evropského centra jaderného výzkumu (CERN) u Ženevy darem jednu z několika miniaturních černých děr, které byly vyrobeny během testovacího provozu urychlovače LHC (Large Hadron Collider) loni na podzim. "Je to pro nás samozřejmě zcela mimořádná událost", říká doc. V.Karas, vedoucí Skupiny relativistické astrofyziky, která se na Astronomickém ústavu výzkumem procesů odehrávajících se v okolí černých děr zabývá. "Nyní budeme moci jako jedni z mála na světě testovat některé teoretické předpovědi doslova přímo na pracovním stole. Předpokládáme, že nám to nesmírně pomůže porozumět dějům, které probíhají v akrečních discích rentgenových dvojhvězd, a že budeme moci také testovat platnost předpovědí teorie relativity v režimu silných gravitačních polí, což by nás mohlo posunout blíže porozumění třeba i v otázce Velkého třesku a vzniku vesmíru."

Částicový urychlovač LHC, který je umístěn v kruhovém tunelu u Ženevy o obvodu 27 km a který začal pracovat v září loňského roku, je největším zařízením tohoto druhu na světě. Přístroj pomocí mohutných supravodivých magnetů udržuje dva protiběžné svazky částic (protonů) na kruhové dráze, kde jsou během několika milionů oběhů urychlovány sérií impulsů až na rychlosti větší než 99,9% rychlosti světla. V komoře detektoru poté dochází ke zkřížení paprsků a částice se sráží. Na každých 200 miliard částic ve svazku nastane jen asi 20 srážek, ale jejich energie je obrovská. Dosahuje až 14 TeV (350 megajouleů), což je zhruba energie jakou má rozjetý vlak o váze 400 tun jedoucí rychlostí 200 km/h. Ovšem poměr hmotnosti protonu a vlaku je asi stejný jako poměr mezi váhou lžičky cukru a váhou celého Slunce.

Při srážkách protonů dochází k vytvoření spršek nových částic, které jsou poté předmětem výzkumu jaderných fyziků. Ve velmi malém procentu případů se ale nalétávající protony srazí přímo "čelem" a energie, kterou částice mají, je v tu chvíli tak obrovsky stlačena, že může vznikdou miniaturní černá díra. Ta může být poté zachycena a izolována v důmyslné pasti soustavy elektomagnetických polí. Kolik takových černých děr se během testovacího provozu urychlovače vytvořilo, neumí nikdo odhadnout, neboť jich většina rychle zanikla. Zachyceno jich ale bylo několik desítek a ty se nyní intenzivně zkoumají. Česká republika se může pochlubit, že je jednou ze zemí, které mají díky svému podílu na přípravě a konstrukci urychlovače LHC (významě se na tom podílí kolegové z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy a z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT) přednostní právo na využití dosžených výsledků, čehož v tomto případě plně využila.

Do České republiky byla černá díra dopravena po železnici ze sídla CERN v Ženevě již v únoru letošního roku a do této chvíle probíhaly instalační práce a také určité seznamování se. Přeprava probíhala za zvláštních bezpečnostních opatření ve speciálním kontejneru, tak aby se pokud možno na minimum snížily otřesy a vibrace během převozu, odstínilo se veškeré možné elektromagnetické rušení a byla absolutně zaručena nepřerušená dodávka elektrické energie do kontejneru. Nyní je černá díra umístěna v laboratoři pražského pracoviště Astronomického ústavu na Spořilově, kde bude sloužit pro experimentální výzkum procesů odehrávajících se v okolí velkých černých děr v naší Galaxii.

Černá díra je uložena ve skleněné nádobě, ve které je urdžováno vakuum. "Vlastně tam není uložena, ale levituje někde uprostřed. Černá díra je pochopitelně přitahována zemskou gravitací ke středu Země a kdybychom jí nedrželi, už bychom se s ní nesetkali. Naštěstí je nabitá, protože vznikla srážkou dvou kladně nabitých protonů, takže jí můžeme udržovat na místě pomocí elektrického pole uvnitř nádoby a soustavy citlivých detektorů.", říká dr. M.Bursa, který se na výzkumu černé díry podílí. To ale představuje další problém, který se musel vyřešit. Nabitá černá díra, která neváží víc než atom železa, by mohla být z fixačního elekrického pole snadno vytržena jakýmkoli rušivým impulsem, např. bleskem při bouřce, ale třeba i vysílání mobilního telefonu by mohlo být problémem. Proto musí být nádoba elektomagneticky stíněna, což je dosaženo potažením vnitřní stěny speciální rtuťovou emulzí, která dokonale odstíní veškeré elektromagnetické záření s frekvencí menší než asi 5000 GHz. Podobná technologie byla použita i k ochraně družic, které provádějí astronomická pozorování ve vysokých enegriích. "Tím dosáhneme odstínění veškerého nežádoucího elektromagnetického rušení, zároveň je ale vrstva rtuti propustná pro vysoké frekvence, zejména pro viditelné světlo, takže můžeme sledovat, co se v nádobě děje, a provádět různé experimenty.", dodává M.Bursa.

Černá díra se musí také často krmit, jinak by se vypařila. Malé černé díry totiž postupně ztrácejí hmotnost díky tomu, že produkují tzv. Bekensteinovo-Hawkingovo záření. To je kvantový jev, který je tím intenzivnější, čím je černá díra menší. To je také důvod, proč takto malé černé díry ve vesmíru už s největší pravděpodobností dávno vyhynuly. Od Velkého třesku, kdy se mohly zrodit, uběhlo už asi třináct miliard let a během tého dlouhé doby se prostě všechny vypařily. Kdyby se nekrmila, během jednoho dne by se vypařila a nic by z ní nezbylo.

A jak se taková nepatrná černá díra krmí? Provádí se to intenzivním paprskem laseru, kterým se na díru každé čtyři hodiny po dobu několika minut posvítí. Většina zeleného světla laseru prostě projde nádobou a černé díry si ani nevšimne, ale malá část fotonů je černou dírou pohlcena a jejich energie přispěje k obnovení její ztracené hmotnosti. Přitom lze pozorovat různé efekty, z nichž nejúchvatnější je určitě ohyb světla jejím gravitačním polem (ohýbání světelných paprsků v gravitačním poli je jedním z efektů předpovídaných obecnou teorií relativity; poprvé bylo ověřeno v roce 1919 během zatmění Slunce, kdy se zjistilo, že paprsky vzdálených hvězd jsou při průchodu blízko slunečního kotouče mírně ohnuty). Vzhledem k malé hmotnosti díry je ovšem ovlivněna také jen malá část fotonů ze svazku, a to jen ty které díru těsně míjí. Projeví se to jako určité rozšíření úzkého laserového paprsku za dírou s náznakem takových jasnějších soustředných kruhů. Intenzivní laserové světlo je jednou z mála možností, jak do černé díry "napumpovat" ztracenou energii. Nedá se totiž krmit normální hmotou, neboť ta je ve srovnání s rozměry černé díry tak řídká, že by s ní téměř nepřišla do kontaktu. "Proto i kdybychom nějakým nedopatřením černou díru ztratili a ta se propadla do zemského středu, není důvod k obavám o to, že by pohltila Zemi a nastal by konec světa. Během jednoho dne by se vypařila.", uzavírá M.Bursa.

Astronomický ústav plánuje představení tohoto unikátního experimentu veřejnosti na svých Dnech otevřených dveří, které se budou konat od 22. do 24. května 2009. Podrobnosti a pozvánka budou v předstihu zveřejněny na internetových stránkách ústavu. Kapacita bude ovšem z bezpečnostních důvodů omezená.

Litujeme, ale černou díru u nás neuvidíte, zpráva byla naším příspěvkem k 1. dubnu 2009 a jedná se tedy o Apríl. Ačkoli je ve skutečnosti možné, že takové miniaurní černé díry v urychlovači LHC vznikají, je jejich velikost nepředstavitelně malá – ještě asi 10³⁸krát menší, než je velikost atomového jádra nejlehčích prvků, a popsaným Bekensteinovým-Hawkingovým procesem by se vypařily za méně než miliontinu miliontiny miliontiny miliontiny sekundy (za 10^-25s). Více pravdivých informací se můžete dozvědět např. v článku Černé díry na urychlovači LHC.