Černé díry jako fenomén jitří lidskou fantazii minimálně od roku 1783, kdy myšlenku superhmotného tělesa, z nějž neunikne ani světlo, vyslovil anglický geolog John Michell. Teprve o více než 130 let později (konkrétně v roce v roce 1915) existenci černých děr předpověděl Albert Einstein obecnou teorií relativity a jejich skutečnou existenci potvrdil o desítky let později výzkum, který však odhalil i něco dalšího. Supermasivní černé díry z počátku věků, jejichž vznik zůstával do určité míry zahalen rouškou tajemství.

Černá díra je souhrnný název pro oblast ve vesmíru, v níž je gravitace tak silná, že jí neunikne ani světlo. První důkaz o tom, že černé díry mohou být skutečně obrovské, přinesli astronomové v roce 1963.

Tehdy se jim podařilo prokázat, že objekt nazvaný 3C 273, který byl nejprve považován za hvězdu v Mléčné dráze, se ve skutečnosti nachází daleko ve vesmíru. Když se podívali na 3C 273 detailněji, zjistili, že září stejně jasně jako čtyři biliony Sluncí, ale zároveň, že je od Země vzdálen 2,4 miliardy světelných let.

Drobné odchylky v záření naznačily, že jeho obrovská energie vznikla v relativně malém objemu. Pro představu: těleso má průměr asi takový, jako je vzdálenost od našeho Slunce k Plutu. Tento typ objektu byl nakonec vědci pojmenován kvazar, což je zkratka pro kvazihvězdu.

Několik vědců se tehdy domnívalo, že energie uvolňovaná 3C 273 a dalšími objevenými kvazary pochází z hmoty padající do obřích černých děr a vířící kolem nich. Což byla pravda. 

Teplota uvnitř objektu 3C 273 dosahuje až 10 bilionů Kelvinů, což se vymyká jakýmkoliv teoreticky představitelným fyzikálním procesům uvnitř kvasarů. Jeho hmotnost odpovídá hmotnosti 886 milionů Sluncí. Astronomové však v současné době pozorovali černé díry s hmotností podstatně větší.

Například 19. února 2024 oznámili, že kvazar J0529-4351 je nejjasnějším pozorovaným objektem v celém vesmíru. Září jasněji než 500 bilionů Sluncí, má hmotnost odpovídající 17 miliardám Sluncí a každý den pohltí hmotnost celého Slunce.

Gravitační zhroucení

Nutno však dodat, že ne všechny supermasivní černé díry jsou kvazary. Naše vlastní galaxie Mléčná dráha obsahuje mnohem klidnější supermasivní černou díru, stejně jako několik dalších sousedních galaxií. Zdá se, že tyto vesmírné úkazy úzce souvisejí s vývojem galaxie, ve které se nacházejí.

Vysvětlit vznik těchto záhadných objektů se snaží například Erik Zackrisson, docent na katedře fyziky a astronomie na univerzitě v Uppsale, který společně s kolegy vyvinul nové modely toho, jak mohly supermasivní černé díry na úsvitu vesmíru vznikat. Jeho výzkum zmapoval švédský časopis Forskning&Framsteg (F&F).

V současné době existuje základní model vzniku černých děr. Pokud bychom hovořili o „standardních“ černých dírách, ty mohou vzniknout gravitačním zhroucením v okamžiku, kdy hvězda o minimální hmotnosti deseti Sluncí vyčerpá své palivo. Vzniklé objekty mají pak hmotnost odpovídající třem až několika desítkám Sluncí.

To je však jen zlomek hmotnosti supermasivních černých děr, o kterých astronomové vědí, že existují nebo existovaly dříve v historii vesmíru. „Záhadou supermasivních černých děr je, že jsou tak hmotné a zároveň vznikaly pouze v mladém a mladším vesmíru," říká hned na úvod Zackrisson.

Jenomže právě v tom je ten háček. Na úsvitu vesmíru totiž podle něj mohly černé díry růst tak, že se živily převážně mračny kosmického plynu. Když astronomové spočítali rychlost tohoto růstu, zjistili, že je obtížné vysvětlit, jak mohly černé díry narůst do gigantických rozměrů. Časopis F&F oslovil také Matthewa Hayese, docenta astrofyziky na Stockholmské univerzitě a člena Centra Oskara Kleina.

Když plyn padá k černé díře

„Ano, zaznamenali jsme černé díry s hmotností miliardkrát větší než Slunce v době, kdy byl vesmír starý jen něco málo přes 500 milionů let,“ upozorňuje vědec, jenž se mimo jiné dlouhodobě zabývá i vzájemným působením plynu, hvězd a galaxií. 

Když plyn padá k černé díře, může začít zářit, protože naráží do jiného plynu a víří kolem něj. Záření plynu vytváří tlak, který v podstatě brání pádu dalšího plynu do černé díry. Znamená to, že černá díra si v podstatě sama reguluje příjem potravy.

„Je těžké pochopit, jak mohou černé díry za 500 milionů let tolik vyrůst. Buď už musely vzniknout s velkou hmotností, nebo rostly velmi rychle. Ani jedna z těchto možností není úplně vědecky uchopitelná, takže narážíme na fenomén, kterému nerozumíme,“ pokračuje Hayes.

Zackrisson s ním souhlasí: „Je jen těžko představitelné, že máme malou černou díru, do níž by se dokázal dostat dostatek plynu, aby vyrostla v supermasivní černou díru.“ 

Astronomové tedy potřebují přijít na to, co se dělo při vzniku vesmíru, který v podstatě implodoval do černých děr. A také to, jak mohly tyto černé díry tak rychle narůst do obřích rozměrů. Odpovědi by mohl přinést dalekohled Jamese Webba, jenž se nachází ve vzdálenosti 1,5 milionu kilometrů od Země a pozoruje infračervené záření vesmíru pomocí zrcadla o průměru 6,5 m.

Pomocí teleskopu se astronomům podařilo nahlédnout až do doby, kdy byl vesmír starý méně než 300 milionů let. Ukázal, že galaxií a černých děr je mnohem více, než mnozí astronomové očekávali. „Supermasivní černé díry nacházíme ve větších vzdálenostech a tedy dále v čase,“ dodává Zackrisson.

V tento moment je třeba si však uvědomit jednu důležitou věc. Teleskopem se vědci v podstatě dívají do minulosti a objekty, které vidí v daném prostoru, v současnosti dávno neexistují. Což ale vůbec nemění nic na faktu, že se vědcům díky Webbově teleskopu podařilo identifikovat nejstarší známou černou díru.

Nachází se v galaxii GN-z11 a její světlo bylo vyzařováno 470 milionů let po velkém třesku. Galaxie byla objevena již v roce 2015 pomocí Hubbleova teleskopu, ale až v lednu 2024 skupina astronomů zjistila, že obsahuje supermasivní černou díru. Aby vysvětlili, jak mohly tyto černé díry vzniknout tak brzy, navrhli vědci jiné způsoby vzniku než všeobecně známý model.

Jednou z možností je, že na úsvitu vesmíru došlo ke zhroucení velkého množství plynu, zejména vodíku, do černé díry. Tyto objekty by už tedy na počátku měly větší hmotnost, a tudíž by skokově nastartovaly svůj růst. Říká se jim černé díry s přímým kolapsem. 

Supervzrušující objekt

Na podzim roku 2023 astronomové z Harvardovy a Yaleovy univerzity mimo jiné oznámili, že pomocí Webbova teleskopu a rentgenové observatoře Chandra takovou kolabující černou díru pravděpodobně spatřili v galaxii UHZ-1. Zackrisson, jenž je spoluautorem článku, předpovídá, že Webbův teleskop bude schopen takové černé díry pozorovat.

„UHZ-1 je supervzrušující objekt, protože podporuje myšlenku, že černé díry s vysokou hmotností vznikly nějakým extrémním procesem na počátku historie vesmíru. Myslím si však, že je příliš brzy na to, abychom definitivně řekli, jak černá díra v UHZ-1 vznikla, protože stále existuje několik možností.“ 

Foto: Rentgenové záření: NASA/CXC/SAO/Ákos Bogdán; Infračervené záření: NASA/ESA/CSA/STScI; Processing: L. Frattare & K. Arcand

I kdyby se ukázalo, že černé díry mohou vznikat z přímého kolapsu plynu, nestačí to k vysvětlení supermasivních černých děr, které dnes pozorujeme. Výhodou přímých kolapsů je, že vedou k černým dírám s velkou hmotností. Nevýhodou je, že jich není možné vytvořit tolik,“ upozorňuje Hayes.

„Než se velká plynná mračna na úsvitu vesmíru zhroutila do černých děr, mohla projít krátkou fází supermasivní hvězdy. Pokud si Slunce představíte jako velikost mince, tyto hvězdy by byly velké asi jako zeměkoule,“ říká Zackrisson s tím, že tyto prahvězdy mohly být tak velké protože plynná mračna, z nichž vznikaly, byla složena pouze z vodíku, helia a malého množství lithia.

Díky těmto prvkům je pravděpodobnost, že plynná mračna ztratí energii, menší. Místo toho, aby se velké plynné mračno rozpadlo na několik běžných hvězd, stane se z něj jediná obří hvězda.

„Takové obří hvězdy mohly existovat v raném vesmíru, ale později podmínky, které by dále umožňovaly vznik těchto hvězd, už neexistovaly,“ dodává Hayes a oba vědci doufají, že pomocí Webbova teleskopu skutečně zjistí, jak takové supermasivní hvězdy tvoří černé díry.

„Chceme se podívat na tento objekt těsně po jeho vzniku, když se z něj stane černá díra. Naše skupina v Uppsale tyto objekty hledá, ale bohužel je to obtížné. Zatím nemáme žádné věrohodné kandidáty,“ pokračuje Zackrisson. A Hayes chce společně se svými kolegy ze Stockholmské univerzity pomocí Webbova teleskopu zmapovat, kolik černých děr existovalo v rané historii vesmíru.

Sláva Webbově teleskopu

Aby to zjistil, musí být schopen změřit, kolik existuje galaxií, které obsahují supermasivní černou díru. Proto se svými kolegy hledá malé odchylky v jasnosti aktivních galaktických jader.

K těmto změnám může docházet, když do černých děr padá různé množství hmoty, čímž se vracíme trochu na začátek, protože právě touto technikou byly v 60. letech 20. století pozorovány 3C 273 a další.

Černé díry totiž vykazují proměnlivost, která se vyskytuje v průměru v časovém měřítku pouhých měsíců a u zvláštních černých děr dokonce minut. Hayes spolu se svými kolegy použil k mapování těchto proměnlivostí předchůdce Webbova teleskopu, Hubbleův teleskop, díky němuž našli několik černých děr v z doby, kdy byl vesmír starý necelou miliardu let.

„Naším výzkumem jsme dokázali, že množství černých děr v rané historii vesmíru bylo mnohem vyšší, než bylo dosud známo. V něčem nám samozřejmě pomohl Hubbleův teleskop, ale ten Webbův se podívá mnohem dále do historie vesmíru,“ říká Zackrisson. 

„Díky němu tedy bude možné podrobně zmapovat, kolik černých děr bylo na úsvitu vesmíru, jakou mají hmotnost, a doufejme, že uvidíme i stopy po supermasivních hvězdách, které se staly černými dírami,“ uzavírá.