Masivní temné, zhroucené hvězdy, v jejichž středech se možná zastavil čas, jsou jedním z mnoha velkých tajemství vesmíru. Jsou natolik hmotné, že přitáhnou zpět k sobě i světlo. Má je každá galaxie. Ve středu naší Mléčné dráhy sedí jedna supermasivní. I proto jsou poznatky o těchto vesmírných tělesech pro lidstvo tak přitažlivé.

V jedné z nejznámějších teorií (The black hole area theorem) z roku 1971 slavný fyzik Stephen Hawking předpokládal, že se celková plocha horizontu událostí jakékoli skupiny černých děr nikdy nezmenší. Toto tvrzení se ale až příliš podobá druhému termodynamickému zákonu, přičemž plocha hraje v tomto případě úlohu entropie. Co že to je ta entropie? Při velkém zjednodušení bychom mohli říci, že míra neuspořádanosti, nebo o něco lépe: míra neurčitosti systému. A ani entropie v průběhu času nikdy neklesá, naopak platí, že nepořádek v systému se s časem vždycky zvyšuje. 

Hawking svoji větu odvodil z teorie relativity Alberta Einsteina, která předpověděla existenci gravitačních vln a černých děr. Potvrzení Hawkigova teorému tedy dále upevňuje pozici Einsteinovy teorie v našem životě.

„Nové výpočty ukázaly, že celková plocha horizontu událostí dvou propojených černých děr byla větší než součet dvou menších děr,“ píše se v čerstvě zveřejněné studii v Physical Review Letters. Tato jednoduchá věta, za níž se skrývají stovky hodin lopocení nad rovnicemi, vlastně říká, že čerstvě získaná data potvrzují, že velikost černých děr se časem nesnižuje.

Prvním krokem k potvrzení Hawkingovy teorie ale byla detekce gravitačních vln, které vznikly po sloučení dvou černých děr. Ty zachytila gravitační observatoř LIGO.

Rozpor mezi teoriemi

Tým pod vedením astrofyzika Maximiliana Isima z Massachusettského technologického institutu (MIT) do svých výpočtů vložil údaje z gravitačních vln vzniklých v důsledku sloučení dvou malých černých děr do jedné. Data vědci rozdělili na dva časové úseky: před a po fúzi. Poté vypočetli povrch horizontu událostí černých děr v každém časovém období.

„Platí, co Hawking předpokládal. Plochu černé díry nelze zmenšit, což je podobné druhému zákonu termodynamiky. Pro černou díru platí i zákon zachování hmoty, nelze zmenšit ani její hmotnost, což potvrzuje zákon o zachování energie. V 70. letech po zveřejnění Hawkingovy práce si lidé říkali: Entropie, hm, to je dobrá paralela. Jenže se ukazuje, že je to zásadní. Černé díry mají entropii a ta je úměrná jejich horizontu události. Není to jen legrační náhoda, je to hluboká skutečnost,“ uvedl Maximiliano Isim pro Live Science.

Mimochodem, podle všeho to vypadá, že potvrzený zákon o celkové ploše horizontu událostí odporuje další známé teorii slavného fyzika, podle níž by se černé díry měly v extrémně dlouhém časovém měřítku odpařovat. Isim připustil, že vyřešení rozporu mezi těmito Hawkingovými teoriemi by mohlo přinést spoustu nových poznatků, doslova řekl „nové fyziky“.

První sloučení černé díry bylo detekováno observatoří LIGO v roce 2017, kdy zaznamenala gravitační signály po fúzi dvou relativně menších černých děr asi miliardu světelných let od Země. Černé díry byly 7krát a 12krát hmotnější než Slunce a po jejím sloučení se staly 18krát hmotnějšími.

Černá díra
Jedná se o natolik hmotný objekt, že jeho gravitační pole je v jisté oblasti časoprostoru natolik silné, že žádný objekt včetně světla nemůže tuto oblast opustit. Černé díry byly teoreticky předpovězeny obecnou teorií relativity publikovanou v roce 1915 Albertem Einsteinem. Astronomům se dlouho nedařilo černé díry na obloze najít. Prvním vážným a dnes již prokázaným kandidátem se stala v roce 1971 hvězda v binárním systému v souhvězdí Labutě kryjící se s rentgenovým zdrojem Cygnus X-1.

Horizont události
Horizont událostí je plocha v časoprostoru tvořící hranici, za kterou události nemohou ovlivnit pozorovatele. Nebo také prostor kolem černé díry, ze kterého již není možné vyslat ven žádný signál.

Termodynamické zákony
První termodynamický zákon (zákon zachování energie): Energie nemůže samovolně vznikat nebo zanikat, ale může se pouze měnit na jiný druh energie.

Druhý termodynamický zákon (entropie): Při samovolném nevratném ději entropie systému roste. Neboli z jiného fyzikálního pohledu: Nelze vyrobit perpetuum mobile

Třetí termodynamický zákon (nula Kelvinů): Ve stavu s nejnižší teplotou 0 K (při absolutní nule) je i entropie soustavy rovna nule. Tento stav soustavy je ale nedosažitelný.