Nový výzkum naznačuje, že budoucí snímky černých děr s vysokým rozlišením by mohly definitivně určit, zda teorie gravitace, obecná teorie relativity Alberta Einsteina, přesně popisuje tyto kosmické objekty – nebo zda jsou potřeba alternativní teorie. Teleskop EHT (Event Horizon Telescope), který v letech 2019 a 2022 poprvé pořídil snímky černých děr, zahájil novou éru pozorovací astrofyziky. Ale i tyto snímky, které potvrzují mnohé z předpovědí obecné teorie relativity, zvyšují možnost odhalit jemné odchylky, které by mohly naznačovat úplnější pochopení gravitace.
Stín pochybností
EHT nefotografuje černé díry přímo. Místo toho zachycuje intenzivní záři přehřáté hmoty rotující kolem těchto objektů a vytváří temný „stín“, který ohraničuje horizont událostí – bod, odkud není návratu, kde se gravitace stává nezastavitelnou. Nejnovější výzkum naznačuje, že podrobná analýza těchto stínů může odhalit drobné nesrovnalosti s Einsteinovými předpověďmi.
„Vyvinuli jsme způsob, jak porovnat obrázky horkého plynu kolem černých děr předpovězené obecnou teorií relativity s těmi, které předpovídají alternativní teorie,“ vysvětluje Akhil Uniyal z Shanghai Transport University, hlavní autor studie. “Realistické simulace ukazují, že i malé rozdíly v základní gravitaci budou zjistitelné, když se zvýší rozlišení obrazu.”
Einsteinův odkaz: Zkreslený časoprostor
Einsteinova teorie obecné relativity, publikovaná v roce 1915, způsobila revoluci v našem chápání gravitace. Na rozdíl od Newtonovy myšlenky gravitace jako síly Einstein navrhl, že masivní objekty narušují strukturu prostoru a času a vytvářejí gravitační efekty, které pozorujeme. Toto zkreslení se stává extrémním v blízkosti černých děr, kde je gravitace tak silná, že ani světlo nemůže uniknout.
Koncept černých děr se objevil z Einsteinových rovnic v roce 1916 díky práci Karla Schwarzschilda. Tato řešení odhalila, že v srdci černé díry leží singularita – bod, kde se fyzikální zákony hroutí. Singularitu obklopuje horizont událostí – hranice, za kterou nemůže nic uniknout.
Za Einsteinem: Hledání alternativ
Přestože obecná teorie relativity prošla nesčetnými testy, vědci dlouho spekulovali, že to nemusí být úplný příběh. Některé alternativní teorie naznačují, že černé díry nemusí mít singularity nebo že je lze popsat složitější fyzikou. Tyto teorie často vyžadují exotickou hmotu nebo porušování známých zákonů.
„Obecně řečeno, existují standardní rotující černé díry popsané obecnou teorií relativity a pak mnoho alternativ motivovaných různými teoriemi,“ říká Uniyal. “Všechny tyto alternativy jsou složitější než ty, které navrhoval Einstein, ale zůstávají teoreticky životaschopné, dokud nebudou vyvráceny.”
Jak stíny odhalují pravdu
Klíč k testování těchto alternativ spočívá v přesném měření stínů černých děr. Malé odchylky v základní gravitaci povedou k jemným změnám ve velikosti a tvaru stínu, stejně jako ve způsobu, jakým se světlo ohýbá kolem černé díry.
„Stín černé díry kóduje geometrii časoprostoru velmi blízko kompaktnímu objektu,“ vysvětluje Uniyal. “Malé odchylky v metrice vedou k malým, systematickým změnám velikosti a tvaru stínu a toho, jak se kolem něj tvoří světelné prstence.”
Studie ukazuje, že i když jsou rozdíly mezi obecnou teorií relativity a alternativními teoriemi malé, stanou se zjistitelné, když se zvýší rozlišení obrazu. Vědci dokonce kvantifikovali tyto rozdíly a poskytli konkrétní cíle pro budoucí observatoře.
Budoucnost obrázků černých děr
Další kroky zahrnují zlepšení kvality snímků černých děr přidáním nových dalekohledů do sítě EHT a studiem vesmírné interferometrie. S rostoucím rozlišením se bude zvyšovat schopnost rozlišovat mezi obecnou teorií relativity a alternativními teoriemi.
„Naše výsledky ukazují, že ať už jsou černé díry jakékoli, rozdíly budou malé, takže bude potřeba velmi přesná měření,“ říká Uniyal. “Naštěstí budou tato pozorování možná v nepříliš vzdálené budoucnosti.”
Tato studie zdůrazňuje sílu pozorovací astrofyziky při testování základních teorií fyziky. Jak se obrázky černých děr vyvíjejí, možná budeme mít brzy definitivní odpověď na otázku, zda Einsteinova teorie zůstává konečným popisem gravitace.
