Dráhy hvězd okolo černé díry Sgr A*. Autor: ESO/L. Calçada/spaceengine.org
V prestižním vědeckém časopise Nature byl v dubnu tohoto roku publikován článek “A Galactic centre gravitational-wave Messenger”, jehož hlavním autorem je profesor Marek Abramowicz působící na Fyzikálním ústavu Slezské Univerzity. V článku přichází s nápadem, jak by mohla cizí vyspělá civilizace dát najevo ostatním civilizacím v naší Galaxii, že existuje. Stačilo by umístit velmi hmotný objekt na oběžnou dráhu kolem obří černé díry v centru naší Galaxie a nenechat ho zcela podlehnout jejímu vlivu.
Profesor Abramowicz a jeho tým přišli se způsobem, jakým by lidstvo mohlo dát zbytku vesmíru najevo že existuje. Ačkoli se to zdá jako jednoduchý úkol, není to tak. Takový “posel” by musel existovat stovky tisíc let, aby jeho signál šířící se rychlostí světla byl schopen překonat vzdálenosti jen v naší Galaxii. Jeho signál musí být univerzální, aby i potenciální příjemci věděli, že rozhodně není přírodní. Řešení, které prof. Abramowicz v článku prezentuje, využívá nejnovější fyzikální poznatky, pouze vyžaduje technologie, které existují jen ve sci-fi. Ale pokud by někdy v budoucnu byl přeci jen takový posel lidstva vytvořen, mohli bychom do celého vesmíru vyslat zprávu o tom, že na Zemi existuje velmi inteligentní život.
Ve vesmíru vás nikdo neuslyší křičet
Vznik vyspělé civilizace jako je ta naše je důsledek velmi specifické shody okolností. Chceme-li tedy hledat jiné civilizace ve vesmíru, je třeba předpokládat, že vznikly v nepředstavitelných vzdálenostech od sebe, a to jak v čase, tak v prostoru. Nejen, že jsou naši nejbližší sousedé tak daleko, že by k nim naše zprávy cestovaly desetitisíce let, ale je pravděpodobné, že jejich druh se vyvinul v civilizaci a zase vymřel miliardy let předtím, než se vůbec zformovala naše Sluneční soustava, nebo vznikne miliardy let poté, co vymře lidstvo. Ať už se ale daná civilizace nachází kdekoli a kdykoli, všechny budou mít jedno společné. Všechny budou mít alespoň nějaké povědomí o tom, že v centru naší Galaxie se nachází unikátní objekt, supermasivní černá díra Saggitarius A* (dále jen Sgr A*)
Jak křičet ve vesmíru
Mediální disk na palubě sondy Voyager. Foto: NASA/JPL.
Civilizace, která se začne vnímat v kosmickém měřítku jako lidstvo, by mohla mít značný zájem o to, ohlásit svou existenci zbytku Galaxie, a tím také kontaktovat jiné civilizace. Ostatně lidstvo už tak činí desítky let, úmyslně, či neúmyslně. Od Olympijských her v Berlíně, které byly jedním z prvních vysílání dostatečně silných, aby byly zachyceny i v kosmu, přes zprávu z Areciba, kterou jsme vyslali k hvězdokupě M13 v roce 1974, až k deskám, připevněným k sondám Voyager 1 a 2, které nesou gramofonovou desku a zprávu o tom kde zemi najít a jak zhruba s námi komunikovat.
Problém všech těchto zpráv je ale stejný – aby je civilizace, která s námi nemá společného nic jiného, kromě galaxie, mohla zachytit a rozluštit, musí vědět nejen kdy přijde, ale i odkud, jaké přesně bude mít vlastnosti, jakou frekvenci hledat, jak se zbavit všudypřítomného šumu, a nakonec ta nejtěžší část – jak zprávu vůbec rozluštit.
Nemusíme se ale omezovat na rádiové vlny. Můžeme použít rentgenové či gama záření, které je mnohem efektivnější. Nebo můžeme použít „nový“ typ signálu, jehož doména nám nedávno otevřela úplně nové okno do vesmíru – gravitační vlny. Elektromagnetické záření má problém s procházením hmotou a na druhé straně Galaxie už bude jakýkoli signál takřka nečitelný. Gravitační vlny, které vznikají pohybem velmi hmotných objektů časoprostorem, ale tuto slabinu nemají. Dostatečně silný signál můžeme už teď zachytit pomocí detektorů LIGO a Virgo ze vzdálenosti několika gigaparseků. S plánovaným detektorem LISA, který bude umístěn ve vesmíru a bude obíhat kolem Slunce, budeme moct měřit i mnohem slabší gravitační vlny z mnohem větších vzdáleností.
Kde jsou všichni?
Největší problém při hledání mimozemských civilizací vyvstává z Fermiho paradoxu. Enrico Fermi položil otázku „Kde jsou všichni“ v padesátých letech, a poukázal na to, že ačkoli je vesmír dost starý na to, aby v něm existovalo obrovské množství civilizací, není po nich jediné stopy. Jedním z řešení tohoto paradoxu je už předem zmíněná teorie, že vznik civilizace je tak delikátní a vzácný proces, že je fyzikálně nemožné, aby dvě civilizace někdy komunikovaly. A to více z časových než z prostorových důvodů. Inteligentní život je dost možná tak daleko od sebe, že za celou doby naší existence k nám signál jiné civilizace ani nestihne dojít. A kdyby došel, je téměř nemožné ho zachytit, protože nevíme odkud ho zachytit a jak má vůbec vypadat. Jde o hledání slaměné jehly v doslova galaktické kupce sena.
Byla jednou jedna civilizace
Musíme tedy hledat jiný způsob, jak hledat zprávy od jiných civilizací. Musíme hledat signál který je unikátní. Tak unikátní, že už vlastně víme, jak přesně má vypadat a odkud přijde. Představme si tedy civilizaci tak pokročilou, že její jediná technologická omezení jsou nejzákladnější fyzikální zákony. Vysílač, který by tato civilizace vytvořila musí mít následující vlastnosti:
- Umístění vysílače je tak unikátní, že je předem známé pro všechny vyspělé civilizace
- Fyzikální vlastnosti signálu jako frekvence a intenzita jsou stejně unikátní a předem známé
- Síla signálu zaručuje, že bude detekovatelný v celém prostoru Galaxie
- Doba vysílání bude taková, že bude signál detekovatelný v celé Galaxii dostatečně dlouhou dobu
- Energie, kterou vysílač potřebuje ke své funkci vzniká při přírodním fyzikálním jevu
- Není třeba jakékoli údržby nebo ovládání vysílače, je plně autonomní
- Z vlastností signálu je jednoznačně jasné, že je umělý
Umístění vysílače je tedy zřejmé. Jak už jsme řekli, všechny vyspělé civilizace musí mít nějaké povědomí o tom, že v centru naší Galaxie je unikátní supermasivní černá díra Sgr A*. Způsob vysílání je také jasný. Vysílaní signálu pomocí gravitačních vln je ideální, jelikož i relativně slabý signál pokryje celý prostor Galaxie a bude pořád jasně čitelný.
Z těchto vlastností pak vychází, že ideální posel je černá díra o přibližné hmotnosti planety Jupiter, která by po dobu jedné miliardy let obíhala Sgr A* na nejnižší stabilní orbitě a svým pohybem vysílala tak gravitační vlny o frekvenci fGW=0.63-1.07 mHz.
Nejslavnější místo v Galaxii
Velké observatoře zkoumají střed Galaxie. Zdroj: ESO.
Sgr A*je nepopiratelně nejunikátnější místo v Galaxii. Z každého místa Mléčné dráhy je to nejbližší supermasivní černá díra, což z něj dělá nejlepší místo na umístění vysílače. A aby byl signál z vysílače jednoznačně umělý, musí být pro pozorovatele jasné, že vysílač neobíhá Sgr A*následkem přírodního jevu. Ideálně by byl tedy vysílač umístěn na nejnižší možnou stabilní kruhovou orbitu. A v čem je tato orbita tak výjimečná? Vyplývá to ze zákonů obecné teorie relativity. V okolí černých děr totiž existuje taková vzdálenost, na které už nemůže nic obíhat – všechno, co překročí jistou hranici, nenávratně spadne do černé díry. A právě na tuto hranici – nejnižší stabilní kruhovou orbitu – je nejvhodnější umístit našeho posla. U rotujících černých děr ale můžeme vybrat ještě speciálnější místo, jelikož u takových existují takové stabilní orbity dvě – jedna, na které těleso obíhá stejným směrem jako rotuje černá díra. Ta je “přirozenější”, jelikož materiál v okolí černé díry dost pravděpodobně bude obíhat ve směru její rotace. Ale druhá stabilní orbita je pro tělesa obíhající proti směru rotace – náš posel obíhající po této orbitě bude jistě vypadat podezřele.
Baterky na miliardu let
Aby byly gravitační vlny dostatečně silné na to, aby dorazily v „čitelné“ podobě až k okraji Galaxie, musí být vysílač dostatečně hmotný. Jenže čím hmotnější bude vysílač, tím obtížnější by bylo ho udržet na stabilní kruhové orbitě v okolí černé díry po doby jedné miliardy let. Podle výpočtů by pak tento vysílač měl mít hmotnost v řádech hmotností měsíců, planet nebo hvězd. Přibližná hmotnost planety Jupiter je tedy ideální, protože černá díra o této hmotnosti by měla průměr zhruba tří metrů a možnost srážky s kolem letícím asteroidem je tedy zanedbatelná. A kdyby byl vysílač hmotnější, narazíme na energetický problém. Jak ho vlastně udržet na orbitě? Nejen, že bude vysílač ztrácet energii vysíláním gravitačních vln, ale bude čelit i neustálému ztrácení energie rozrážením oblak ionizovaného plynu, které Sgr A* oklopují. Tento vliv je téměř neměřitelný, ale dostatečný na to, aby posla vychýlil z orbity a nenávratně ho shodil do černé díry. Doba po kterou je signál neměnný, je také klíčová k tomu, aby byl signál dostatečně umělý. Pokud pozorovatel zachytí, že se signál z orbity supermasivní černé díry nezměnil po dobu několika týdnů, je téměř nemožné, aby vznikal při přírodním jevu. Bohužel, ani při 100 % efektivitě konverze hmoty na energii E=mc^2, nestačí hmotnost vysílače na to, aby se na své orbitě udržel sám. Musíme tedy najít zdroj energie, který ho tam udrží. Ukázalo se, že na to stačí energie získaná z jediné hvězdy o hmotnosti 0,1 až 1 Slunce. Pokud by byl ale vysílač těžší, bylo by množství energie potřebné k jeho napájení mnohem vyšší.
Uslyšíme takový signál někdy?
Ve chvíli, kdy bude detektor LISA v provozu, budeme moct s přesností určit, jestli se na orbitě Sgr A* v centru naší Galaxie náhodou už nenachází podobný galaktický posel a jestli hypotetická civilizace, jejíž technologie jí dovolila umístit takto masivní objekt na orbitu kolem černé díry skutečně existuje. Pokud ne, neznamená to, že jiné civilizace neexistují. Jen možná nikdo neměl tak dobrý nápad. Pokud ale tento signál zachytíme, budeme mít téměř nepopiratelný důkaz o tom, že vyspělý mimozemský život existuje.
Prof. Marek Abramowicz
Prof. Marek Abramowicz a jeho studenti na Slezské univerzitě. Autor: Ondřej Durzak
Narodil se v roce 1945 v Chełmu, studoval v Gdaňsku a ve Vratislavi, doktorát z teoretické fyziky obdržel v roce 1974 na Varšavské Univerzitě. Poté působil na Texaské univerzitě a na Standfordu v USA, Oxfordské univerzitě, institutu SISSA v Terstu nebo na univerzitě v Göteborgu a na Chalmersově technologické univerzitě, kde byl vedoucím katedry astrofyziky. V současné době působí na Kopernikově institutu CAMK ve Varšavě a na Slezské univerzitě v Opavě. Zabývá se obecně relativistickou astrofyzikou, fyzikou černých děr a zejména akrečními procesy v okolí kompaktních objektů, je spoluautorem několika modelů akrečních disků.
Kontakty
Mgr. Debora Lančová
Fyzikální ústav SU v Opavě
Email: debora.lancova@physics.slu.cz
Telefon: +420 553 684 548