Thread by @Mitokochan

Zdravím všechny u dalšího dílu pátečních vláken, pokračujeme dnes třetím dílem o černých dírách! Dnešní #fyzivlákno se zaměří hlavně na třicátá léta minulého století, kdy komunita astrofyziků debatovala existenci černých děr a kdy tyto debaty začaly být brány vážněji a vážněji.

Minule jsme si povídali o tom, jak Schwarzschild našel řešení Einsteinových rovnic, které předpovídalo existenci černých děr, ale že ani Schwarzschild ani Einstein nevěřili, že by fyzikálně černé díry mohly být realitou.

Mezi fyziky se spekulovalo, co by toto řešení mohlo znamenat, jaké by mělo důsledky a probíhaly další výpočty, které měly pomoct tyto otázky objasnit.



Mezi těmito debatujícími byl i Subrahmanyan Chandrasekhar.

Narodil se v roce 1910 na území dnešního Pákistánu rodičům, kteří ho od mala vedli k lásce k poznání. Jeho maminka překládala různá literální díla a učila ho jazykům, tatínek ho za učil fyziku a matematiku.

Strýček byl pro změnu Chandrasekhara Venkata Raman, který v roce 1930 dostal Nobelovu cenu za fyziku za popis jevů v optice. Jak tedy vidíte, rodinné zázemí měl naprosto bezvadné a brzy šel studovat do Velké Británie, kde vypracoval studii, která ho měla proslavit.

S čím tedy Chandrasekhar přišel? Spočetl vztah dávající do souvislosti hvězdnou hmotnost a její poloměr. Ten pak udával hmotnostní mez, za níž se bílý trpaslík zhroutí do černé díry. Využil k tomu spoustu zajímavých poznatků nejen z relativity, ale i z kvantové fyziky.

Rychlá odbočka: bílý trpaslík je neaktivní jádro hvězdy. Vznikne tím, že hvězda vypotřebuje veškeré palivo potřebné na fúzi (tedy na to, aby produkovala teplo a světlo) a odhodí vnější vrstvu. Poté se zhroutí a zbyde velmi velmi husté jádro, kterému hrozí zhroucení do černé díry.

Zpět ale k Chandrasekharově výpočtu. Abychom si přiblížili, co vlastně studoval, musíme pochopit mechanismus za tím, co udržuje bílého trpaslíka před gravitačním zhroucením do sebe. Souvisí to s Pauliho vylučovacím principem a s elektrony.

Možná si vzpomenete opět na střední, kdy jste počítali obsazení elektronů v různých orbitalech. Možná si pamatujete na čtverečky, kam jste kreslili šipky nahoru a šipky dolů. Pokud jste to nedělali, nebo si to nepamatujete, nezoufejte. Vysvětlím.

Ne všechny elementární částice se chovají stejně. Některé mají náboj, jako proton a elektron, jiné náboj nemají, třeba neutron. Náboj ale není jediná vlastnost, kterou elementární částice může mít.

Vlastnostmi elementárních částic se právě zabývá kvantová fyzika. Ta nás učí, že částice mají něco, čemu se říká spin.

Ono nemá valný smysl si spin nijak představovat, protože k němu neexistuje analogie v našem světě “velkých” nekvantových věcí.

Berte to prostě tak, že něco takovýho existuje (což víme z experimentů, které sedí na výpočty jak hrnec na prdel) a že pro částice, které mají ten spin v násobcích 1/2, platí zajímavá pravidla, která neplatí pro ostatní částice.

Elektron je zrovna taková částice, která má poločíselný spin. Tyto částice nazýváme fermiony a pravidlo, které pro fermiony platí, se jmenuje Pauliho vylučovací princip. Podle tohoto principu se stejné fermiony nesnesou v jednom systému.

Když jeden fermion cítí, že ten druhý je ve stejném stavu, musí jeden z nich odejít ze systému pryč. Proto taky v atomech obsazují elektrony různé stavy a různé hladiny; nemůžou být všichni ve stejné hladině ve stejném stavu, protože se prostě vzájemně nesnesou.

To je všechno hrozně pěkné, když se hmota chová normálně, ale hvězdy jsou v tomhle ohledu dost nenormální. Nejen, že jsou obrovské a dosahují pekelných teplot, ony dosahují i pekelných tlaků, který pak nutí elektrony, aby se k sobě mačkaly.

Tohle mačkání elektronů na sebe nezpůsobí, že by se najednou elektrony snesly. Oni se prostě nesnesou a hotovo a tahle jejich nesnášenlivost způsobí, že tlačí proti jakémukoliv tlaku, který se je snaží dát k sobě. Tenhle protitlak je to, co chrání bílého trpaslíka od zhroucení.

Co když je ale gravitace silnější a silnější? Třeba tím, že se zhroutí fakt strašně veliká hvězda? Pak se stane, že se elektrony začnou postupně spojovat s protony v atomových jádrech a vytváří tak neutrony v procesu, který se nazývá elektronový záchyt.

Stoupající tlak na elektrony tak vytváří různé vesmírné objekty podle rozdílných procesů a rovnic. A tohle všechno byly právě věci, kterými se Chandrasekhar zabýval.

Ve svých výpočtech přišel na to, že v nejextrémnějším případě, kdy hmotnost hvězdy přesáhne určitou mez, se najednou v jeho rovnicích stane divná věc — poloměr bílého trpaslíka skočí na nulu. Objekt se gravitačně zhroutí sám do sebe a vytvoří nekonečně zakřivený časoprostor.

Spoustě lidí to připadalo zvláštní. Byli tací, kteří tvrdili, že Chandrasekhar sice ve výpočtech chybu neudělal, ale že se jistě brzy objeví nějaký fyzikální proces, který takovému zhroucení do sebe zabrání a že je jen otázkou času, než takový proces v přírodě objevíme.

Byli bohužel ale i lidé, jimž ego trochu přerůstalo přes hlavu a na Chandrasekhara útočili. Mezi ně patřil i náš starý známý Eddington, který se svým vlivem snažil Chandrasekharův výpočet pomluvit. Tím podle některých odborníků posunu vývoj astrofyziky o několik let zpátky.

Lidé se totiž báli jít proti tak věhlasnému astrofyzikovi nebo se domnívali, že Chandrasekharův výsledek musí být nesmysl, když to Eddington říká. Sám Chandrasekhar se pak přiznal, že na něj Eddingtonovo chování působilo tak, že si na něj zasedl z rasistických důvodů.

Faktem je, že někteří, jako třeba Bohr nebo Pauli, si byli vědomi, že se jedná o nefér jednání a viděli ve výzkumu smysl, ale báli se proti slovutnému Eddingtonovi nějak veřejně vystupovat.

Na Chandrasekharovu práci se naštěstí však nezapomnělo a o pár let později přišli pánové Oppenheimer a Volkoff s podobným výsledkem, akorát pro neutronové hvězdy. Tyto dvě meze pak byli koncepčně spojeny s Schwarzschildovým poloměrem.

Předpokládalo se, že za tímto poloměrem se nachází objekt, který byl nazván zmrzlá hvězda (frozen star), neboť pro vnějšího pozorovatele zamrzl na povrchu takového objektu čas. (Dnes se pod pojmem frozen star myslí něco jiného, kdybyste to hledali na netu.)

Trvalo však ještě chvíli, než si fyzici uvědomili, že ačkoliv pro vnějšího pozorovatele čas zamrzl, pozorovateli padajícímu do černé díry se to tak vůbec nejeví, pro něj čas běží normálně.

O tom se však pobavíme příště. Mějte krásný víkend a těším se za týden ❤️