Závěrečná stádia > Černé díry > vznik černých děr

vznik černých děr

Během života hvězdy dochází k neustálému boji mezi dvěma protichůdnými silami. Na jedné straně gravitační síla usiluje o její smrštění, zatímco na straně druhé tlak záření, vznikající v nitru při termojaderných reakcích, se snaží hvězdu rozpínat. Vývoj hvězdy však neovlivňuje pouze tento křehký balanc – důležitou roli hraje také rychlost její rotace, chemické složení (zejména množství prvků těžších než helium, známé jako metalicita) a další faktory, jako například přítomnost blízkého hvězdného společníka, který může proces formování hvězdy výrazně ovlivnit.

Vznik hvězdných černých děr 

Vznik hvězdné černé díry může nastat obecně dvěma způsoby:

  1. evolucí velmi hmotné hvězdy s počáteční hmotností překračující dvacet pět hmotností Slunce
  2. srážkou dvou neutronových hvězd (animace)

Ke vzniku černé díry prvním způsobem dochází v případě, kdy hvězdné jádro zbylé po výbuchu supernovy překročí kritickou hmotnost určenou Tolman-Oppenheimer-Volkoffovou mezí. Gravitační síla je v tomto případě dostatečná k překonání tlakové síly degenerovaných neutronů a gravitační kolaps pokračuje.

Druhý způsob vzniku černé díry by bylo možno pozorovat v binárním systému dvou neutronových hvězd. 

 
       Hvězdy s počáteční hmotností mezi 90 až 140 hmotnostmi Slunce jsou natolik horké, že v pozdějších fázích svého života vytvoří jádro složené převážně z uhlíku a kyslíku. Intenzivní gama záření v těchto hvězdách může vést ke vzniku párů elektronů a pozitronů, což snižuje tlak záření, jenž dosud udržoval hvězdu před gravitačním kolapsem. Výsledkem je smrštění jádra a zvýšení teploty, což zesílí termojaderné reakce. Tyto procesy způsobují periodické pulzace, během nichž hvězda odhazuje obrovské množství hmoty do okolního prostoru rychlostí až desítek tisíc kilometrů za sekundu. Vyvržená hmota se následně střetává s předchozími vrstvami a vytváří extrémně jasné světelné záblesky, které označujeme jako „pulzační párově-nestabilní supernovy“. Po několika takových epizodách hvězda postupně ztrácí tolik hmoty, že již nemůže produkovat elektron-pozitronové páry, a nakonec kolabuje do černé díry o hmotnosti několika desítek Sluncí.
 
       Hvězdy s ještě větší počáteční hmotností, v rozmezí 140 až 250 hmotností Slunce, se vyvíjejí podobným způsobem, avšak v jejich případě se při vzniku elektron-pozitronových párů situace vymkne kontrole. Nastává katastrofální zhroucení jádra, jež vyvolá prudkou termonukleární explozi kyslíku. Tato exploze uvolní tak obrovské množství energie, že hvězda je doslova roztrhána na kusy během několika sekund a nezůstane po ní žádná černá díra. Tento proces je známý jako „párově-nestabilní supernova“ a vede ke vzniku mezery v rozložení hmotností černých děr, jelikož hvězdy v tomto rozmezí totiž zanikají tak explozivně, že po nich žádná černá díra nezůstává. Teoretické modely naznačují, že tímto způsobem by se neměly tvořit černé díry s hmotností mezi přibližně 45 až 120 hmotnostmi Slunce.
 
        Pokud má však hvězda ještě větší hmotnost, přesahující 250 hmotností Slunce, vstupuje do hry další proces známý jako fotodezintegrace. Vysokoenergetické gama záření rozkládá atomová jádra těžkých prvků na lehčí složky, což efektivně odvádí přebytečnou energii a zabraňuje kompletnímu zničení hvězdy v explozi. Hvězda je natolik hmotná a hustá, že se nakonec zhroutí do černé díry. Nicméně před dosažením této fáze pravděpodobně ztratí značnou část své hmoty v důsledku silného hvězdného větru. Odhaduje se, že výsledná černá díra bude mít přibližně 120 hmotností Slunce.
Tyto scénáře jsou však stále pouze teoretické, protože přímé pozorování takových událostí dosud chybí. Existuje pouze několik kandidátů na párově-nestabilní supernovy a jen dvě hvězdy, o nichž víme, že jejich hmotnost přesahuje 200 hmotností Slunce.
 
         Hvězdné černé díry prozrazuje zejména rentgenové záření z plynu, který na ně padá. Tento horký materiál vytváří tzv. akreční disk, který doslova září vysokoenergetickým světlem. Někdy je černá díra v dvojhvězdném systému, kde gravitačně ovlivňuje svého viditelného „partnera“ – a z jeho pohybu pak můžeme vypočítat hmotnost neviditelného objektu.
 
01_vznik_cd.gif
Zjednodušený prostoročasový diagram vývoje bílý trpaslík – neutronová hvězda – černá díra velmi hmotné hvězdy s počáteční hmotností přesahující 25 hmotností Slunce. Vodorovně je vynášen radiální rozměr, svisle pak čas
(zdroj obrázku: astronuklfyzika.cz)

Vznik černých děr velkých hmotností

Galaktické černé díry (supermasivní) jsou díry, jejichž hmotnost leží v intervalu 105 až 1010 MS. V současné době se předpokládá, že všechny galaxie obsahuje ve svém středu obří černou díru.

Existuje několik teorií jejich vzniku, z nichž uvedu dvě. Asi nejrozšířenějším modelem je postupná akrece materiálu do černé díry. Jiný model předpokládá existenci velkého prachoplynového mračna, z něhož vznikne hvězda s hmotností stovek hmotností Slunce. Taková hvězda neudrží díky neustálým fluktuacím hydrostatickou stabilitu a rychle se hroutí do černé díry, aniž by došlo k výbuchu supernovy. To je dáno tím, že v době, kdy by měla obálka dopadnout na neutronové jádro, je zde již zformována černá díra, která obálku vtáhne pod horizont událostí. Při formování černé díry je nutné, aby bylo v malém objemu přítomno velké množství plynu, který má navíc velmi malý úhlový moment hybnosti. Ten je pak klíčovým faktorem při utváření akrečního disku.

 

Supermasivní černé díry, které sídlí v centrech galaxií a váží miliony až miliardy Sluncí, se odhalují díky pohybům hvězd a plynů kolem galaktických jader. Tyto hvězdy se pohybují tak rychle a tak blízko neviditelného středu, že to může vysvětlit jen extrémně koncentrovaná hmota. A díky projektu Event Horizon Telescope jsme dokonce získali přímý snímek stínu černé díry v galaxii M87.

01_zvetsovani_cd.gif
Hmota padající do černé díry nezaniká, nýbrž její hmotnost zvětšuje hmotnost černé díry. Podle vztahu (14.4) pak dochází k zvětšování poloměru horizontu událostí

 

 

Kvasar

V současné době se věří, že supermasivní černé díry jsou hybným mechanismem existence kvasarů. Kvasary, objevené v roce 1963, jsou extrémně zářivé objekty s výkonem vyzařování v rozmezí 1035 W až 1040 W napříč celým elektromagnetickým spektrem. Nacházejí se v obrovských vesmírných vzdálenostech, což se projevuje silným rudým posuvem jejich spektra, způsobeným rozpínáním vesmíru (Dopplerův jev).

    Svým energetickým výdejem se kvazary vyrovnají celým galaxiím, což naznačuje, že představují aktivní jádra mladých galaxií v raném vesmíru. V jejich středu se nachází černá díra o velké hmotnosti, která pohlcuje okolní hmotu a přeměňuje ji na intenzivní záření. Tento proces je doprovázen vznikem výtrysků (jetů), které se šíří relativistickými rychlostmi a mohou dosahovat délky stovek tisíc světelných let.
    Kvazary hrají zásadní roli v pochopení vývoje galaxií, neboť jsou považovány za jejich rané fáze. Postupem času se jejich aktivita snižuje a přecházejí do klidnějšího stavu, čímž přispívají ke vzniku galaktických struktur, jaké dnes pozorujeme v okolním vesmíru.

 

01_kvas

Počítačová animace kvasaru
(zdroj obrázku: www.hia-iha.nrc-cnrc.gc.ca)

 

01_cer

Počítačová animace supermasivní černé díry v centru galaxie RX J1242-11. Na obrázku je zachycena hvězda, která byla „roztrhána“ gravitačním působením černé díry. Pro přehrání animace klikněte zde
(zdroj obrázku a animace: chandra.harvard.edu)

 

Vznik středně hmotných černých děr

        Středně hmotné černé díry představují přechod mezi hvězdnými černými dírami a černými dírami velkých hmotností s odhadovanou hmotností od stovek do stovek tisíc Sluncí. Předpokládá se, že mohou vznikat buď přímým kolapsem extrémně hmotných hvězd (nad 250 Sluncí), pravděpodobně prvních hvězd ve vesmíru, nebo postupným slučováním menších černých děr a pohlcováním okolní hmoty, podobně jako černé díry velkých hmotností.
Dlouho šlo pouze o teoretický koncept, dokud detektory gravitačních vln LIGO–Virgo–Kagra nepozorovaly událost GW190521. Při ní došlo ke srážce dvou černých děr o hmotnostech 66 a 85 Sluncí, což vedlo ke vzniku nové černé díry s hmotností 142 Sluncí – první potvrzené středně hmotné černé díry. Je pravděpodobné, že vznikla postupným slučováním menších černých děr, protože původní objekty měly hmotnost v oblasti „zakázané meze“, kde by se černé díry podle teorie neměly vyskytovat (viz. výše).
         A pak jsou tu černé díry středních hmotností, jakýsi chybějící článek. Jejich objevy jsou zatím vzácné, ale pomalu přibývají. Vědci je hledají například v kulových hvězdokupách nebo v slévání menších černých děr, které odhalujeme pomocí gravitačních vln – jemného chvění časoprostoru, které zachytí citlivé detektory jako LIGO nebo Virgo.
 
 

Vznik primordiálních černých děr

Vedle černých děr vzniklých zhroucením hvězd nebo v galaktických jádrech existuje i fascinující hypotéza o tzv. primordiálních černých dírách, tedy černých dírách, které mohly vzniknout krátce po Velkém třesku, ještě před vznikem hvězd a galaxií.

V raném vesmíru panovaly extrémní podmínky: vysoké hustoty, teploty a kvantové fluktuace. Pokud se některé oblasti vesmíru zhroutily samy do sebe, například kvůli lokálním hustotním poruchám nebo nestabilitám během inflační fáze, mohly vytvořit malé, ale velmi hmotné objekty: právě primordiální černé díry. Na rozdíl od běžných černých děr by tyto mohly mít velmi malé hmotnosti, od několika gramů až po hmotnost planety. Některé mohly mezitím vyzářit svou energii díky tzv. Hawkingovu záření a zaniknout. Jiné, větší, by mohly ve vesmíru přežít dodnes – a možná se na ně díváme, aniž bychom věděli, že jsou to ony.

Některé teorie dokonce naznačují, že právě primordiální černé díry by mohly tvořit část temné hmoty, která záhadně ovlivňuje pohyb galaxií, ale kterou dosud nikdo neviděl.

Přestože zatím nemáme přímý důkaz jejich existence, primordiální černé díry zůstávají jednou z nejzajímavějších hypotéz moderní kosmologie. Možná jako tiché svědectví o tom, jak neklidné byly první okamžiky našeho vesmíru.

 

 
Stránka byla naposledy editována 6. dubna 2025 v 18:28.
Stránka byla od 15. 1. 2010 zobrazena 46745krát.
Vytištěno ze stránky projektu Hvězdy (astronomia.zcu.cz/hvezdy/dira/31-vznik-cernych-der)
Nahrávám...