Černé díry: brány k poznávání našeho Vesmíru

Jihlavská astronomická společnost, 9. února 2017, Muzeum Vysočina. Černé díry: brány k poznávání našeho Vesmíru Ing. Petr Dvořák petr.dvorak@ceitec.vutbr.cz Ústav fyzikálního inženýrství, FSI VUT v Brně Středoevropský technologický institut CEITEC Brno

Obsah Stručná historie Teorie gravitačního pole Speciální a Obecná teorie relativity Hvězdný vývoj a jejich zánik Černé díry a jejich vlastnosti Astronomie černých děr a gravitační čočky Gravitační vlny a shlukování černých děr Budoucnost černých děr Věnováno Milošovi Podařilovi a jeho rodině.

Stručná historie Teorie gravitačního pole 1680 Newton (1643 1728), Gausse (1777 1855), Poisson (1781 1840) 1865 Maxwell (1831 1879), Teorie elektromagnetického pole 1887 Michelson (1852 1931), Morley (1838 1923) 1905 Bern, Einstein (1879 1955), Speciální teorie relativity 1907 Bern, Princip ekvivalence 1912 Praha, důsledky Principu ekvivalence 1913 Curych, diferenciální geometrie Gausse, Riemann, Ricciho a Levi-Civity 25. 11. 1915 Berlín, Einstein Obecná teorie relativity a teorie gravitačního pole

Michelsonův-Morleyův experiment c = 299 792 458 m/s N. Ch. Huygens, O. Rømer (1676) měsíce Jupitera (220 000 000 m/s) J. Bradley (1728) aberace (298 000 000 m/s) L. Foucault (1862) chopper (298 000 000 m/s) A. A. Michelson (1926) rotující zrcadla ( 299 796 000 m/s) Michalson-Morley (1887) - Experimentální test vlivu Éteru na rychlost světla Rychlost světla je konečná a nezávislá na pohybu soustavy pozorovatele Albert Abraham Michelson Edward Williams Morley Pohyb Země kolem Slunce

Obsah Stručná historie Teorie gravitačního pole Speciální a Obecná teorie relativity Hvězdný vývoj a jejich zánik Černé díry a jejich vlastnosti Astronomie černých děr a gravitační čočky Gravitační vlny a shlukování černých děr Budoucnost černých děr

Speciální teorie relativity L Tyč je dlouhá L

Speciální teorie relativity V L

Speciální teorie relativity V L Tyč je kratší než L

Princip ekvivalence Obecná teorie relativity Zeměkoule

Zakřivený časoprostor

A. Einstein (1879 1955) A. Eddington (1882 1944)

Gravitační vlny 22. června 1916 10-23 m

Úniková rychlost Nejnižší možná rychlost, při které těleso může definitivně opustit sféru gravitačního vlivu planety Planeta Úniková rychlost (km/s) Země 11,18 Slunce 620 Měsíc 2,40 Jupiter 59,55 Venuše 10,36 Mars 5,03 Saturn 35,51 Tajemné těleso ČERNÁ DÍRA Pojem z roku 1967 od John Archibald Wheeler (1911 2008)

Život hvězd a gravitační kolaps (1783) J. Michell, (1796) P. S. de Laplace těleso s poloměrem 500x větší než Slunce = neviditelná hvězda (1915) Karl Schwarzschild Horizont událostí (Schwarzschildova mez) (1930) Subrahmanyan Chandrasekhar Bílý trpaslík Neutronová hvězda (1,44 M ʘ - 2,58 M ʘ ) (1939) J.R. Oppenheimer, G. Volkoff, R. Ch. Tolman Neutronová hvězda gravitační kolaps (3 M ʘ - 5 M ʘ ) (1967) Stephen Hawking nevyhnutelný gravitační kolaps pojem Černá díra

Černé díry Parametry: Hmotnost, moment hybnosti a elektrický náboj Schwarschildovy statické černé díry Horizont událostí, singularita, fotonová sféra, gravitační čočky, slapové síly Precese eliptické oběžné dráhy, vyzařování gravitačních vln

Černé díry Černá díra nemá vlasy Kerrovy-Newmanovy rotující a elektricky nabité černé díry Kolaps rotujících hvězd, ergosféra (strhávání časoprostoru) Penroseův proces a superradiace, nesymetrie gravitačních čoček, akreční disk

Hawkingovo vyzařování černých děr (1971) S. Hawking termodynamické zákony černých děr Povrchová gravitace = teplota Plocha horizontu = entropie Kvantové efekty Heisenbergovy relace neurčitosti (1975) Hawkingovo záření Hmotnost Slunce 10 33 g Gama a rentgenový zdroj světla!!!

Objev černých děr (1964) objev Cygnus X-1 souhvězdí Labutě (6 070 Ly) Rentgenový zdroj 30 až tisíce kev, perioda systému 5,6 dnů Horizont 26 km; akreční disk (průměr 1500 km) a dva jety Rentgenový obraz HDE 226868 20-40 Mʘ 14,8 Mʘ Cyg X-1 Chandra X-ray Observatory High Energy Replicated optics (HERO)

Astronomie černých děr 60 000 Ly, 400 mil. M ʘ 5 GHz

Kvasary a aktivní jádra galaxií Supermasivní černé díry Astronomie černých děr Galaxie v Kentaurovi NGC 1068 (M77 souhvězdí Velryby) Elais-N1

To se nás netýká? Jen 26 000 Ly, oblast Sigittarius A* (souhvězdí Střelce a Štíra) Hmotnost 4,1 mil. Mʘ, průměr 6,25 Lh

Gravitační čočky

První detekce gravitačních vln a spojení černých děr

LIGO - Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory 1. Handford (Washington, CALTECH) 2. Livingston (Louisiana, MIT) Advanced LIGO laser: 10 W 200 W zrcadla: 25 cm 34 cm, 11 kg 40 kg frekvence: 40 2000 Hz 10 10000 Hz výměna optiky výměna anti-seismického systému Seismický šum Tepelný šum Fotonový šum

První detekce gravitačních vln a spojení černých děr 36 a 29 hmotnosti Slunce 3 hmotnosti Slunce vyzářeny 1,2 mld. světelných let Detekce 8 vln (4 oběhy) Zpoždění signálu 7 ms Pravděpodobnost < 2 10-7

Druhá detekce gravitačních vln a spojení černých děr

A co bude dále? Albert Einstein: Bůh nehraje v kostky. Stephen Hawking: Bůh nejen že v kostky hraje, ale někdy je hází dokonce i tam, kde nejsou vidět.

Děkuji za pozornost petr.dvorak@ceitec.vutbr.cz