Jediná subatomární částice neboli proton je tak malý, že ho nezahlédnou ani ty nejvýkonnější mikroskopy. Přesto se některé takové částice řítí chladnou prázdnotou vesmíru s energií, která bere dech. Nejde o obyčejný let vesmírem. Takový proton může nést tolik energie, že kdyby zasáhl člověka, jeho kinetická síla by se dala přirovnat k profesionálnímu tenisovému podání Novaka Djokoviće.
Nyní si představte energii celého tohoto tenisového podání vměstnanou do prostoru bilionkrát menšího než zrnko písku. Jedná se o ultraenergetické kosmické záření (UHECR), nejrychleji se pohybující objekty v nám známém vesmíru. Po celá desetiletí byly jakýmisi duchy kosmu, kteří se objevovali v našich detektorech bez jasné zpáteční adresy. Disponují energiemi, které se vymykají našemu chápání fyziky a překračují takzvaný „GZK limit“ – teoretickou rychlostní hranici, podle níž by částice putující vakuem vesmíru měly časem ztrácet energii a zpomalovat.
Některým částicím jsou však naše rychlostní limity lhostejné. K Zemi dorazí s tak obrovskou energií, že vědci musí žasnout: jaký pohon by mohl být dostatečně silný, aby je vyslal na cestu?
Nový výzkum zaměřený do srdce temnoty – k supermasivním černým dírám – konečně přinesl odpověď. Ukazuje se, že tyto gravitační monstra nejsou jen vesmírnými „výlevkami“, které vše pohltí; jsou to nejúčinnější „jednorázové“ urychlovače částic ve vesmíru, které dokážou vymrštit hmotu napříč kosmem rychlostí blízkou rychlosti světla.
Baterie v centru galaxie
Abychom pochopili, jak může být černá díra urychlovačem, musíme o ní přestat uvažovat jen jako o „díře“. Supermasivní černá díra, jako je ta v centru naší Mléčné dráhy nebo ještě větší v „aktivních galaktických jádrech“ (AGN) vzdálených miliony světelných let, se podobá spíše obří rotující baterii. Tyto objekty obsahují hmotu milionů nebo dokonce miliard Sluncí a rotují neuvěřitelnou rychlostí. A každé těleso, které rotuje, má energii – rotační kinetickou energii.
Pro černou díru je množství této energie nepředstavitelné. Energie je však užitečná jen tehdy, pokud ji dokážete využít. V 60. letech 20. století navrhl slavný matematik a fyzik Roger Penrose způsob, jak černou díru o její energii „oloupit“. Naznačil, že pokud byste hodili objekt do „ergosféry“ – zóny těsně nad horizontem událostí, kde je samotný časoprostor strháván do kruhu – a tento objekt by se rozdělil na dvě části, jedna polovina by mohla spadnout do černé díry, zatímco druhá by unikla. Za správných podmínek by unikající polovina odletěla s větší energií, než měl původní objekt na začátku. Mělo to však háček. „Klasický Penroseův proces“ vyžaduje extrémně přesné rozdělení částice v ergosféře a tak jen malá část rotační energie černé díry se takto dá prakticky využít. Klasický Penroseův proces není dostatečně účinný na to, aby vysvětlil částice monstrózní energie, které dopadají na Zemi.
Magnetický Penroseův proces
Právě zde nový výzkum mění pravidla hry. Vědci zjistili, že pokud zahrneme do problému i magnetické pole, Penroseův proces se radikálně změní. Černé díry jsou jen zřídkakdy osamocené. Obvykle je obklopuje vířící „akreční disk“ horkého plynu a plazmatu – představte si ho jako zářící, divoký prstenec ohně. Toto plazma je plné pohybujících se elektrických nábojů, které generují silná magnetická pole.
Když je rotující černá díra vystavena těmto magnetickým polím, stane se něco magického. Rotace černé díry zkroutí magnetické siločáry a vytvoří masivní elektrické pole. To je „magnetický Penroseův proces“ (MPP). Podle studie je díky této magnetické složce proces extrakce energie bilionkrát účinnější než při samotné gravitaci. Černá díra už není jen rotujícím závažím; nyní je to elektromagnetické dělo vesmírných rozměrů.
Jednorázový mechanismus: Žádné pomalé zrychlování
Velký hadronový urychlovač (LHC) ve Švýcarsku funguje tak, že částice popohání v kruhu a v každém kole jim dodává malý energetický „kopanec“, dokud nedosáhnou vysoké rychlosti. Je to pomalé, postupné budování energie. Supermasivní černá díra na to nemá trpělivost. Používá „jednorázový“ mechanismus.
Proces začíná, když se neutrální atom – možná zbloudilý kousek plynu z okolního disku – zatoulá příliš blízko k černé díře. Jakmile vstoupí do intenzivního prostředí poblíž horizontu událostí, extrémní síly atom roztrhnou. Tomu se říká ionizace. Náhle se z jedné neutrální částice stanou dvě nabité: kladný proton a záporný elektron.
V tom zlomku sekundy „zrození“ se jich zmocní magnetické a elektrické pole černé díry. Jedna částice je vtažena do propasti, zatímco druhá je „vykopnuta“ ven s takovou prudkostí, že své maximální energie dosáhne téměř okamžitě. Není to závod, je to exploze. Vědci vypočítali, že u typické supermasivní černé díry může být jediný proton urychlen na energii milionkrát větší, než jaké dokážeme dosáhnout v našich nejmodernějších laboratořích na Zemi.
Vyřešení záhady „kotníku“
Tento výzkum nám neříká jen to, jak tyto částice vznikají; vysvětluje také zajímavé struktury které vidíme v našich naměřených datech. Když se vědci dívají na energetické spektrum kosmického záření dopadajícího na Zemi, vynášejí je do grafu. Většinou jde o hladkou křivku kde pro vyšší energie detekujeme stále méně a méně částic. Ale na velmi specifické energetické úrovni (kolem 1018 eV) se křivka zplošťuje. Vědci tomu říkají „kotník“.
Po celá léta byl tento kotník záhadou. Proč se tam distribuce částic náhle mění? Nový model nabízí dokonalé vysvětlení. Vědci zjistili, že energetické rozdělení produkované urychlovači v podobě supermasivních černých děr přesně odpovídá tvaru „kotníku“. Naznačuje to, že částice, které vidíme při těchto extrémních energiích, jsou „zplodiny“ z obřích motorů černých děr v centrech galaxií.
Multimessenger astronomie
Dnes již žijeme v „multimessenger“ vesmíru: na hvězdy se nedíváme jen pomocí viditelného světla které zachycují dalekohledy. Používáme celý rozsah elektromagnetického vlnění, od velikých antén radioteleskopů až po detektory gamma záření na oběžné dráze. Interferometry měříme změny délky zpusobené gravitačními vlnami a za pomocí částicových detektorů zkoumáme kosmické pozadí. Můžeme tak „cítit“ tlukot srdce vzdálených černých děr i prostřednictvím částic, které na nás vrhají. Studiem těchto kosmických paprsků v podstatě čteme „poštu“, kterou nám posílají ta nejextrémnější prostředí, jaká existují.
Studie naznačuje, že supermasivní černá díra v centru naší vlastní galaxie, Sagittarius A*, stejně jako ty v našem „místním“ vesmírném sousedství, pravděpodobně přispívají k vysokoenergetickým částicím, které právě teď zasahují naši atmosféru.
Pokaždé, když kosmický paprsek narazí do molekuly dusíku v naší horní atmosféře a vytvoří spršku sekundárních částic, existuje šance, že cesta této energie začala před miliony let v „jednorázovém“ výšlehu z rotující černé díry.
Nejdokonalejší motor vesmíru
Utrácíme miliardy dolarů na stavbu LHC, prstence dlouhého 27 kilometrů, abychom zkoumali tajemství hmoty a mezitím supermasivní černé díry dělají totéž, ale v měřítku, které si stěží dokážeme představit.
Tyto poznatky řeší desetiletí starou hádanku o původu nejenergetičtějších jevů ve vesmíru. Vykreslují obraz propojeného kosmu – kde rotace černé díry ve vzdálené galaxii může vymrštit drobný proton prázdnotou přes miliony světelných let, aby nakonec přistál zde, na malé modré planetě, a vyprávěl nám svůj příběh.
