STRUČNÁ
HISTORIE
ČERNÝCH
DĚR

A BRIEF HISTORY OF BLACK HOLES

Copyright © 2022 by Dr Becky Smethurst

All rights reserved.

Translation © 2025 by Robert Doležal

ISBN 978-80-284-1155-8

Tobě a Tvé zvědavosti, která Tě sem přivedla.

Ach, a mámě, že mě vždy s úsměvem přivedla zpátky na Zemi.

předmluva
Na ramenou obrů

Právě v tuto chvíli, kdy sedíte a relaxujete při čtení této knihy, se pohybujete neuvěřitelnou rychlostí. Země se právě teď otáčí kolem své osy a posouvá nás neúprosným plynutím času z jednoho dne do druhého. Zároveň obíhá kolem Slunce a nese nás střídajícími se ročními obdobími.

Ale to není vše. Slunce je jen jednou hvězdou Mléčné dráhy, naší galaxie s více než stovkou miliard hvězd. Slunce není ničím výjimečné a rozhodně není v jejím středu. Ve skutečnosti je docela průměrné a nevýrazné ve srovnání s ostatními hvězdami. Sluneční soustava je součástí menšího (všimli jste si toho vzoru?) spirálovitého ramene Mléčné dráhy známého jako Rameno Orionu a samotná Mléčná dráha je také poměrně běžnou spirální ostrovní „galaxií“ – ani příliš velkou, ani příliš malou.

To znamená, že spolu s rychlostí otáčení Země a rychlostí, jakou Země obíhá kolem Slunce, se také pohybujeme kolem středu Mléčné dráhy rychlostí 724 000 kilometrů za hodinu. A co bychom našli v onom středu? Obří černou díru.

Ano – právě teď obíháte kolem černé díry. Místa ve vesmíru s tak ohromným množstvím hmoty, která je tak hustá, že ani světlo – pohybující se nejvyšší rychlostí – nemá dostatek energie na to, aby zvítězilo při přetahování lanem nad gravitací černé díry, pokud se dostane příliš blízko. Myšlenka černých děr uchvacuje i frustruje fyziky po celá desetiletí. Matematicky je popisujeme jako nekonečně hustý, nekonečně malý bod, obklopený nepoznatelnou sférou, ze které nezískáme žádné světlo ani žádné informace. Žádné informace znamenají žádná data, žádná data znamenají žádné experimenty a žádné experimenty znamenají nulovou znalost toho, co se skrývá „uvnitř“ černé díry.

Pro vědce je vždy cílem vytvořit si celkovou představu. Když odstoupíme od dvorku naší Sluneční soustavy, abychom obsáhli celou Mléčnou dráhu, a pak ještě dále, abychom spatřili miliardy dalších galaxií celého vesmíru, zjistíme, že černé díry jsou vždy v pozici řidiče ovládajícího gravitaci. Černá díra ve středu Mléčné dráhy, která je právě teď zodpovědná za váš pohyb vesmírem, je asi čtyřmilionkrát těžší než naše Slunce – proto se jí přezdívá velmi hmotná černá díra. Sice to může znít monumentálně, ale viděla jsem i větší. Černá díra Mléčné dráhy je opět, relativně vzato, docela průměrná. Není tak obří, tak energetická nebo tak aktivní, a proto ji téměř není možné spatřit.¹

Skutečnost, že můžu tato fakta přijmout jako samozřejmost a každodenně s nimi jako se samozřejmostí nakládat, je pozoruhodná. Teprve na konci 20. století jsme si konečně uvědomili, že se ve středu každé galaxie nachází obří černá díra – připomínka toho, že zatímco astronomie je jednou z nejstarších metod výzkumu prováděných již starověkými civilizacemi po celém světě, astrofyzika – aktuálně vysvětlující fyziku v pozadí toho, co astronomové vidí – je stále vědou relativně novou. Technologický pokrok během 20. a 21. století se teprve začal dotýkat povrchu záhad vesmíru.

Nedávno jsem se dokonale ztratila v jednom rozlehlém antikvariátu² a narazila jsem na knihu s názvem Moderní astronomie napsanou v roce 1901. V úvodu její autor Herbert Hall Turner uvádí:

Před rokem 1875 (datum je jen přibližné) panoval neurčitý pocit, že metody astronomického výzkumu dosáhly jakéhosi konečného stádia; od té doby se však sotva najde jediná, která by se podstatně nezměnila.

Herbert měl na mysli vynález fotografické desky. Vědci už nezakreslovali to, co dalekohledy viděli, ale na obrovské kovové desky potažené chemickou látkou reagující na světlo zaznamenávali přesně to, co bylo vidět. Dalekohledy se navíc zvětšovaly, což znamenalo, že mohly pojmout více světla potřebného k pozorování i méně výrazných a menších objektů. Na stránce čtyřicet pět mého výtisku se nachází nádherný diagram ukazující, jak se průměry dalekohledů zvětšily z ubohých 10 palců (cca 25 centimetrů) ve 30. letech 19. století na neuvěřitelných 40 palců (cca 100 centimetrů) ke konci tohoto století. V době psaní této publikace je největším dalekohledem, na němž se nyní pracuje, Thirty Meter Telescope (Třicetimetrový dalekohled) na Havaji, jehož zrcadlo sbírající světlo má průměr, ano, uhodli jste, třicet metrů. V Herbertových jednotkách je to asi 1 181 palců (cca 30 metrů); od 90. let 19. století jsme ušli opravdu dlouhou cestu.

Na knize Herberta Halla Turnera (což je i důvod, proč jsem si ji musela koupit) miluji to, že slouží jako připomínka toho, jak rychle se mohou perspektivy ve vědě měnit. V knize není nic, co bychom já nebo moji kolegové provádějící astronomický výzkum dnes považovali za „moderní“, a dokážu si představit, že za 120 let by si budoucí astronom při čtení této knížky pravděpodobně pomyslel to stejné. Například v roce 1901 se předpokládalo, že velikost celého vesmíru odpovídá vzdálenosti pouze k nejodlehlejším hvězdám na okraji Mléčné dráhy – vzdáleným asi 100 000 světelných let. Netušili jsme, že kdesi v rozlehlosti rozpínajícího se vesmíru leží další ostrovy s miliardami hvězd, jiné galaxie.

Na straně 228 Moderní astronomie je snímek pořízený na fotografickou desku s označením „Mlhovina v Andromedě“. Okamžitě v ní lze rozpoznat galaxii v Andromedě (nebo pro většinu lidí spíše dřívější obrázek na ploše stolního počítače Apple Mac). Andromeda je jedním z nejbližších galaktických sousedů Mléčné dráhy, ostrova ve vesmíru zahrnujícího více než jeden bilion hvězd. Snímek vypadá téměř totožně s tím, který si dnes amatérský astronom může pořídit ze svého dvorku za domem. Ale ani s pokrokem technologie fotografických desek na konci 19. století, který umožnil zaznamenat první snímky Andromedy, nedošlo k okamžitému skoku v pochopení toho, oč se vlastně jedná. V té době se tomu ještě říkalo „mlhovina“ – rozmazaná, nevýrazná věc nepodobná hvězdám, o které se předpokládalo, že je někde v Mléčné dráze ve stejné vzdálenosti jako většina hvězd. Až ve 20. letech 20. století byla odhalena skutečná povaha onoho ostrova hvězd vzdáleného miliony světelných let od Mléčné dráhy. Tento objev zásadně posunul celý náš pohled na naši pozici ve vesmíru a jeho měřítko. Přes noc se náš pohled na svět změnil, a s tím jsme si uvědomili skutečnou velikost vesmíru. Lidé se stali ještě menší kapkou v ještě větším oceánu, než si kdy uvědomovali.

Fakt, že skutečné měřítko vesmíru doceňujeme až v posledních 100 letech, je podle mého názoru nejlepším příkladem toho, jak skutečně mladá je vědecká astronomie. Tempo pokroku ve 20. století dalece předčilo i ty nejdivočejší sny Herberta Halla Turnera z roku 1901. V roce 1901 sotva někoho napadla myšlenka černé díry. Ve 20. letech 20. století byly černé díry pouze teoretickými kuriozitami, které zvláště rozčilovaly fyziky, např. Alberta Einsteina, protože rozbíjely rovnice a zdály se být nepřirozené. V 60. letech 20. století byly černé díry akceptovány, alespoň teoreticky, částečně díky práci britských fyziků Stephena Hawkinga a Rogera Penrose a novozélandského matematika Roye Kerra, který vyřešil Einsteinovy rovnice obecné relativity pro rotující černou díru.

To vedlo na počátku 70. let k prvnímu váhavému závěru, že se ve středu Mléčné dráhy nachází černá díra. Uveďme si to teď do kontextu. Lidem se podařilo dostat někoho na Měsíc dříve, než jsme vůbec pochopili, že celý náš život jsme strávili neúprosným obíháním kolem černé díry.

Teprve v roce 2002 pozorování potvrdila, že jedinou věcí, která by mohla být ve středu Mléčné dráhy, je obří černá díra. Jako člověk, který se výzkumu černých děr věnuje necelých deset let, mám potřebu tento fakt připomínat. Myslím, že každý má tendenci zapomínat věci, které jsme ještě donedávna nevěděli. Ať už šlo o život před chytrými telefony nebo to, že teprve v tomto tisíciletí jsme byli schopni zmapovat celý lidský genom. Jde o porozumění dějinám vědy, které nám umožňuje lépe docenit znalosti, které si nyní hýčkáme. Pohled zpět do historie vědy je jako jízda společným vlakem myšlenek tisíců badatelů. Uvádí na pravou míru ty teorie, které jsme si navykli papouškovat, aniž bychom vzpomněli na oheň, ve kterém byly prvně ukovány. Vývoj myšlenek nám pomáhá pochopit, proč jsme některé z nich opustili a jiné jsme si oblíbili.³

Myšlenka, které se držím v případě, že lidé zpochybňují existenci temné hmoty, je následující. Temná hmota je hmota, o jejíž existenci víme díky její gravitační síle. Vidět ji však nemůžeme, protože neinteraguje se světlem. Lidé se ptají, jak hodnověrný je fakt, že nejsme schopni vidět něco, o čem si myslíme, že tvoří 85 procent veškeré hmoty ve vesmíru? Není možné, že jsme něco přehlédli? Nikdy bych nebyla tak arogantní, abych tvrdila, že jsme skutečně mysleli úplně na všechno, protože vesmír nás neustále drží ve střehu. Lidé ale zapomínají, že myšlenka temné hmoty se neobjevila jednoho dne definitivně zformovaná, aby vysvětlila určitou zajímavost vesmíru. Stalo se tak teprve po více než třech dekádách pozorování, kdy výzkum nedokázal najít žádné vhodnější vysvětlení. Pravdou je, že vědci dlouhé roky tápali a odmítali uvěřit, že právě temná hmota je hledanou odpovědí. Nakonec je přesvědčily důkazy. Většina pozorováním potvrzených vědeckých teorií je slavnostně vykřikována všemi směry; temná hmota však byla právě tou teorií v celé lidské historii, která byla přijata s nejmenší ochotou. Lidé si kvůli ní museli přiznat, že toho víme mnohem méně, než jsme si mysleli, což byla pro všechny značně pokořující zkušenost.

O tom věda je: přiznat si věci, které nevíme. Jakmile to uděláme, můžeme dosáhnout pokroku, ať už pro vědu, znalosti nebo pro společnost jako celek. Lidstvo jako celek postupuje díky pokroku ve znalostech a technologiích, přičemž obojí se vzájemně ovlivňuje. Žízeň po dalších znalostech týkajících se toho, jak je vesmír velký a co zahrnuje, po poznání vzdálenějších a drobnějších věcí, vedla ke zdokonalování dalekohledů (ze čtyřiceti palců v roce 1901 na třicet metrů v roce 2021). Únava z používání těžkopádných fotografických desek a vynález digitálních detektorů světla provázejících první kroky astronomů vedly k tomu, že teď všichni po kapsách nosíme digitální fotoaparáty. Tento vynález provázelo zdokonalení technik analýzy obrazu, které byly nutné k pochopení detailnějšího digitálního pozorování. Tyto techniky pak našly své místo v lékařském zobrazování, jako jsou MRI a CT skenery využívané nyní k diagnostice celé řady onemocnění. Skenování útrob našeho těla bylo před pouhým stoletím nepředstavitelné.

Můj výzkum o účincích černé díry stojí jako v případě všech ostatních vědců na ramenou obrů, kteří tu byli přede mnou: např. Albert Einstein, Stephen Hawking, sir Roger Penrose, Subrahmanyan Chandrasekhar, dame Jocelyn Bell Burnellová, sir Martin Rees, Roy Kerr a Andrea Ghezová, abych jmenovala alespoň některé. Mohu stavět na odpovědích, na kterých tak tvrdě a tak dlouho pracovali, a klást své vlastní, nové otázky.

Trvalo více než 500 let vědeckého bádání, než jsme se mohli dotknout povrchu toho, co vlastně černé díry jsou. Pouze ponořením se do této historie můžeme doufat v pochopení onoho zvláštního a záhadného jevu našeho vesmíru, o kterém stále víme tak málo. Od objevu toho nejmenšího po to největší; od možnosti existence první černé díry až po tu poslední; a proč se jim vlastně říká černé díry. Náš výlet historií vědy nás zavede na cestu ze středu Mléčné dráhy k okrajům viditelného vesmíru, a dokonce k zamyšlení nad otázkou, která lidi zajímá už desítky let: co bychom spatřili, kdybychom „spadli“ do černé díry?

Sama považuji za neuvěřitelné, že věda vůbec může doufat v odpověď na podobné otázky a zároveň nás může překvapit něčím novým. Ukázalo se totiž, že i když černé díry byly dlouho považovány za temná srdce galaxií, „černé“ nejsou. V průběhu let nás věda naučila, že černé díry jsou ve skutečnosti nejjasnějšími objekty v celém vesmíru.

¹ Ve skutečnosti bylo velmi náročné zjistit, že je ve středu Mléčné dráhy vůbec nějaká černá díra. Pokud by to byla aktivní černá díra – taková, která právě roste „požíráním“ dalšího materiálu – byl by to jeden z nejjasnějších objektů ve vesmíru. Hvězdy na obloze jižní polokoule by byly sotva viditelné v záři centrální černé díry Mléčné dráhy. Myslím, že takový svět bych docela ráda spatřila.

² Barter Books v Alnwicku, Northumberland, Velká Británie. Mohla bych tam trávit hodiny. Vřele doporučuji.

³ Pro někoho, kdo miluje historii vědy, je bolestivé i zvídavě fascinující sledovat vzestup „plochozemců“, kteří tvrdí, že Země je placatá. Trvají na tom, že NASA a vláda USA (se všemi ostatními vesmírnými agenturami a vládami vytvářejícími jedno velké společenstvo) udržují lež o kulovitém tvaru Země. Je zajímavé, že myšlenky a argumenty, o kterých mezi sebou diskutují, jsou úplně stejné, jaké měli ranní řečtí filozofové před tisíci lety, které ale po dalších experimentech a pozorováních zavrhli. Právě to je to klíčové, s čímž „plochozemci“ bojují – opustit argument, k němuž jsou citově připoutáni, ač jim jejich experimenty dokazují, že Země placatá není. Jaksi nedokáží opustit cestu potvrzením svojí vlastní zaujatosti. Společnost nikdy nepokročí dále, pokud odmítne změnit svá přesvědčení, když jsou jí předloženy drtivé důkazy o opaku.

1
Proč hvězdy svítí

Až bude příště jasná noc, bez mraků překážejících výhledu, postavte se na několik minut se zavřenýma očima k venkovním dveřím. Před tím, než uděláte krok ven a vzhlédnete vzhůru, dejte svým očím čas přivyknout tmě. Dokonce i malé děti vědí, že když před spaním prvně zhasnete světlo u postele, pokoj se ponoří do černočerné tmy. Když se ale uprostřed noci vzbudíte, jste znovu schopni vidět obrysy a tvary předmětů dokonce i za toho nejslabšího světla.

Takže pokud se skutečně chcete nechat ohromit noční oblohou, nechte své oči nejprve odpočinout od jasných světel v domě. Dovolte, aby se vaše noční vidění nejprve rozvinulo, a nebudete zklamáni. Teprve až budou vaše oči připraveny, můžete vyjít ven a změnit perspektivu svého pohledu na svět. Namísto pohledu dolů nebo do dálky se podívejte vzhůru a pozorujte tisíce hvězd, které vzplanou na obloze. Čím déle zůstanete stát ve tmě, tím dokonalejší bude vaše noční vidění a tím více hvězd zaplaví oblohu světýlky drobnými jako špendlíkové hlavičky.

Když vzhlédnete k obloze, rozmístění a uspořádání některých hvězd vám může připadat známé, jsou to souhvězdí, jako je třeba Orion nebo Velký vůz.⁴ Pak tu budou věci, které poznávat nebudete. Pouhým pozorováním oblohy, zaznamenáváním jasu a polohy hvězd se připojíte k neuvěřitelně dlouhému seznamu lidí z civilizací po celém světě, těch starověkých i novodobých, kteří dělali totéž a byli ohromeni nádherou nebe. Hvězdy a planety odedávna hrály ve společnosti svoji důležitou kulturní, náboženskou či praktickou roli. Od navigace po souši i po moři po pomoc při sledování ročních období, což vedlo ke vzniku prvních kalendářů.

V moderním světě jsme ono přirozené spojení s noční oblohou ztratili. Mnozí z nás nejsou schopni postřehnout změny, jak se hvězdy mění s ročními obdobími, či zaznamenat přítomnost komet kvůli všudypřítomnému světelnému smogu měst, který vše překrývá. Pokud máte to štěstí, že žijete v místech, kde hvězdy vidět můžete, možná si všimnete, jak se každou noc mění pozice Měsíce nebo že se po obloze v průběhu měsíců potlouká jedna obzvláště jasná „hvězda“. Staří Řekové si těchto „bloudících hvězd“ také všimli a nazvali je přesně tak: planētai, znamená to tulák (tvoří kořen i moderního českého slova, planeta).

Ne každému ale postačí jen vzhlédnout a kochat se tím výhledem. Někteří z nás chtějí odpovědi – vysvětlení věcí, které na obloze vidíme. Jde o přirozenou lidskou zvědavost. Už jen samy otázky o povaze hvězd a jejich svitu znepokojovaly lidstvo po celá staletí. Že by hvězdy mohly být vzdálenými slunci, jako první navrhl v roce 1584 italský filozof Giordano Bruno. Zašel dokonce tak daleko, že by mohly mít své vlastní planety, které kolem nich obíhají. V té době šlo o velice kontroverzní myšlenku, která šla ve stopách prosté matematické myšlenky polského matematika a filozofa Mikoláše Koperníka, že Slunce, nikoli Země, je středem Sluneční soustavy. Koperník byl velkým obdivovatelem jednoduchosti a matematické krásy kruhů a myslel si, že když uspořádáme Sluneční soustavu se Sluncem ve středu a s planetami obíhajícími po kruhových drahách kolem něj, bude to ten matematicky nejkrásnější způsob uspořádání věcí. Nemyslel si, že by to tak mělo nutně být z hlediska astronomie, ale nadchla jej sama geometrie této myšlenky.

Po několika dalších desetiletích se ovšem našli tací, kteří tuto myšlenku začali propagovat i ve vztahu k astronomii. Byli to Bruno a jeho kolega italský astronom Galileo Galilei, kteří byli nakonec oba za tuto domnělou herezi proti katolické doktríně potrestáni. Až společné úsilí Tycha Braheho, Johannese Keplera a Isaaca Newtona přibližně během následujícího století vedlo k formulaci nevyvratitelných důkazů ve prospěch teorie, že Slunce je středem Sluneční soustavy. Ta byla konečně veřejností i vědci přijata poté, co vyšla v roce 1687 Newtonova Principia. Newton nejprve formuloval zákony o gravitaci a pohybu planet po jejich drahách. Stejná síla, která nás drží zde na povrchu Země, způsobuje, že Měsíc obíhá kolem Země a Země kolem Slunce. Tyto zhruba kruhové oběžné dráhy planet kolem Slunce vysvětlovaly, proč se během části roku noc za nocí zdá, že se planety pohybují po obloze pozpátku, retrográdně. Planety blíže Slunci se po obloze zdánlivě pohybují obráceně, když jsou na opačné straně Slunce (jako auta na opačné straně kruhového závodního okruhu)⁵ a zdá se, že tyto vzdálenější planety couvají, když je Země předhání, jelikož se pohybuje rychleji po své oběžné dráze.

Merkur během „retrográdní fáze“ zdánlivě couvá, přitom se však
nachází jen na druhé straně „závodního okruhu“.

Ačkoli Bruno svou myšlenkou, že Slunce je hvězda jako každá jiná, jen mnohem bližší, předběhl dobu, stále jí nepřispěl k vysvětlení, proč Slunce svítí. Pochopení toho, že Slunce coby střed Sluneční soustavy podléhá stejným silám, jaké známe zde na Zemi, ale vzalo Slunci jeho božský status a učinilo z něj v myslích lidí cosi obyčejného. Fyzikové se v 18. století začali zajímat o to, zda by Slunce a hvězdy nemohly být poháněny běžnými procesy, jako je spalování, a ve svých úvahách zašli tak daleko, že zvažovali, zda by za množství energie vydávané v podobě světla nemohlo být odpovědné spalování uhlí. Pozor, spoiler: nemohlo. Pokud by celé Slunce bylo složeno z uhlí, spálilo by ho při současné rychlosti produkce energie za pouhých 5 000 let.⁶ Vzhledem k tomu, že zaznamenaná historie sahala mnohem dál než to – Velká pyramida v Gíze byla postavena před více než 4 000 lety – a že Země tehdy byla považována za 6 000 let starou, byla tato myšlenka nakonec zamítnuta.

Pokud Slunce nebylo vyrobeno z uhlí, z čeho tedy? Přicházet s teoriemi, z čeho je Slunce, se v 19. století stalo oblíbenou kratochvílí fyziků, ale zásadní objev zaznamenal až jistý bavorský sklář. Josef Ritter von Fraunhofer se narodil v roce 1787 jako nejmladší z jedenácti dětí v rodině, která se sklářství věnovala po mnoho generací. Jeho příběh má všechny atributy dobré disneyovky: ve svých chlapeckých letech osiřel a byl poslán do Mnichova do učení u mistra skláře, který vyráběl dekorativní zrcadla a sklo pro královský dvůr. Jeho mistr k němu byl ale krutý, nedopřál mu žádné vzdělání a připravil ho i o lampu, při které si po setmění četl své vzácné vědecké knihy. Jedné noci se však dům jeho pána zřítil a zaživa pohřbil Josefa pod svými troskami. Tato událost byla v Mnichově tak ohromující, že na místo neštěstí přijel dokonce i princ z Bavorska, který byl u toho, když Fraunhofera vytáhli živého z trosek. Když se princ doslechl o Josefově trápení, přidělil mu v královském paláci nového pána, jenž mu poskytl všechny knihy o matematice a optice, které se mu dostaly do rukou. Skutečně pohádkový příběh.

Tím ale příběh nekončí. Fraunhofer začal pracovat v Optickém institutu v Benediktbeuernu, kde dostal na starost veškerou sklářskou výrobu, včetně zdokonalování metod broušení superhladkého skla používaného na čočky dalekohledů. Fraunhofer se zaměřil na vyřešení problému rušivých refrakcí (změn směru světla), které se objevují při průchodu sklem, kdy se část světla rozptýlí do barev duhy. Díky těmto chybám byly jeho čočky nedokonalé. Snažil se změřit, jak moc se světlo láme, tedy jak moc se mění jeho směr přes různé druhy a tvary skla. Isaac Newton již v roce 1600 ukázal, že se bílé světlo skládá ze všech barev duhy, a předvedl, jak dochází k jeho lomu průchodem přes hranol, kdy se směr jeho červené složky mění méně než směr složky modré, což vede ke vzniku duhy. Když si vybavíte obal alba Dark Side of the Moon od Pink Floyd, jste na správné cestě.

Fraunhoferův problém spočíval v tom, že barvy duhy od sebe nejsou jasně odděleny. Až příště uvidíte na obloze duhu, pokuste se určit, kde končí zelená a začíná modrá: není to možné. Barvy se vzájemně prolínají, což sice lahodí oku, ale zároveň je neuvěřitelně frustrující, pokud se snažíte určit, jak moc se mění směr každé barvy světla. Fraunhofer tedy začal experimentovat s různými zdroji světla. Všiml si, že když použije světlo plamene spalujícího síru, jedna část duhy, žlutooranžová, je mnohem jasnější než ostatní. Začal být zvědavý, zda Slunce také vykazuje tuto jasně žlutou skvrnu ve svém světle, a postupně vylepšoval svůj experiment tím způsobem, že stále více měnil dráhu světla, aby duha pokryla větší oblast: v podstatě se mu podařilo duhu „přiblížit“, aby v ní rozeznal více detailů. Tím vynalezl úplně první spektrograf – přístroj, který je základním kamenem moderní astronomie a astrofyziky.

Fraunhofer byl šokován tím, co viděl pomocí svého spektrografu ve slunečním světle. Namísto jasnějších skvrn světla postřehl, že některé barvy světla pocházejícího ze Slunce zcela chybí. Tmavé čáry v duze, mezery, kterých si předtím nikdo nevšiml. Nejprve označil deset nejvýraznějších tmavých oblastí a ke konci zaznamenal celkem 574 mezer v duhovém světle ze Slunce. Viděli byste to pokaždé, kdy byste si byli schopni přiblížit duhu na obloze.

Fraunhofer, zaujatý tímto zjištěním, zkoumal dále a zjistil, že mezery se objevily ve slunečním světle odraženém od Měsíce, planet a objektů na Zemi. Nebyl si však jistý, zda mezery ve světle byly skutečnou vlastností slunečního světla, nebo vznikly, když světlo prošlo atmosférou Země. Proto se pomocí svého spektrografu podíval na světlo z jiných hvězd, jako je jasný Sirius, „Psí hvězda“⁷ v blízkosti souhvězdí Orion (Orion má vypadat jako lovec, vedle kterého se nachází menší souhvězdí jeho loveckého psa, jehož je Sirius nejjasnější hvězdou). Fraunhofer si všiml, že mezery se znovu objevily ve světle ze Siria, ale byly na úplně jiných místech a s jiným vzorem než u světla slunečního. Došel k závěru, že tyto mezery nezpůsobuje zemská atmosféra, ale něco v povaze hvězd samotných.

Sluneční duha rozdělená spektrografem zobrazující barvy, které Fraunhofer zaznamenal. Bunsen a Kirchhoff později dokázali, že byly způsobeny prvky ve Slunci, které tyto barvy absorbovaly. Odhalili tím, z jakých prvků je Slunce složeno.

Tímto objevem v roce 1814 Fraunhofer v podstatě nastartoval moderní astrofyziku tak, jak ji známe, a žil šťastně až do smrti. Nebo alespoň tak by měla skončit disneyovka Fraunhoferova života. Ve skutečnosti zemřel na tuberkulózu v roce 1826 v pouhých devětatřiceti letech. Sklářské pece, se kterými pracoval, obsahovaly jedovatý oxid olovnatý a pravděpodobně přispěly k jeho smrti.

Fraunhoferova předčasná smrt znamenala, že se nikdy nedožil vysvětlení mezer ve světelné duze Slunce, které o několik desetiletí později, v roce 1859, objasnili německý fyzik Gustav Kirchhoff a chemik Robert Bunsen. Kirchhoff a Bunsen se nesnažili vysvětlit to, co viděl Fraunhofer, ale zkoumali něco jiného za pomoci Bunsenova nového vynálezu, který vytvořil pro použití v laboratoři velmi žhavý plamen bez sazí (který navíc nebyl oslnivě jasný). Jeho kopii má dnes každá vědecká laboratoř po celém světě, od špičkových výzkumných ústavů po školní chemické učebny: Bunsenův hořák.

Za pomoci Bunsenova hořáku mohli Kirchhoff a Bunsen spalovat různé chemické prvky a zaznamenat, jakou barvu světla vydávají. Dokonce použili nově vytvořenou verzi Fraunhoferova spektrografu k rozložení vydávaného světla na jeho jednotlivé barvy. Zjistili, že každý prvek hoří velmi specifickou barvou a s typickou vlnovou délkou světla. Například sodík hoří jasně žlutou barvou s vlnovou délkou přesně 589 nanometrů (0,000000589 metru), což je barva vydávaná staromódními žlutými pouličními lampami, které používají sodíkové výbojky. Kirchhoff si všiml, že jedna z chybějících mezer ve sluneční duze světla, již Fraunhofer zaznamenal, měla také přesně 589 nanometrů. Bylo by možné, aby byl sodík také přítomen na Slunci, ale namísto vyzařování světla této barvy ho pohlcoval?

Kirchhoff a Bunsen poté porovnali všechny vlnové délky emitované chemickými prvky a setřídili je ve své laboratoři s těmi, které zaznamenal Fraunhofer. Všude nalezli shodu, což naznačilo, že Slunce obsahuje sodík, kyslík, uhlík, hořčík, vápník, vodík a mnoho dalších prvků. To v podstatě potvrdilo, že Slunce bylo skutečně složeno ze stejných prvků, které nalezneme i na Zemi. Na počest svého objevitele nazvali Kirchhoff a Bunsen ony mezery ve sluneční duze světla „Fraunhoferovými čarami“.

V roce 1859 byl tedy vyřešen problém toho, čím je tvořeno Slunce. Ovšem to, jakým způsobem je Slunce poháněno stejnými prvky, které tvoří Zemi, stále zodpovězeno nebylo. Existuje půvabný článek publikovaný v srpnu 1863 ve Scientific American pod názvem: „Odborníci pochybují o tom, že Slunce skutečně spaluje uhlí“, kde se uvádí:

Slunce se vší pravděpodobností není hořící, ale žhavé podstaty. Jeho světlo je spíše světlem žhavého roztaveného kovu než světlem hořící pece.

Jinými slovy, je to něco jako Země, ale z nějakého důvodu mnohem žhavější, a to tak, že září.

Tento článek byl založen na práci britského fyzika Williama Thompsona – kterému byl později udělen titul lord Kelvin, protože se stal prvním vědcem, který byl povýšen do Sněmovny lordů (na jeho počest je pojmenována vědecká jednotka teploty, kelvin) – a německého fyzika Hermanna von Helmholtze. Kelvin a Helmholtz jsou giganty ve světě termodynamiky: byli průkopníky našeho chápání tepla a teploty. V roce 1856 publikoval Helmholtz svoji myšlenku, že Slunce generuje teplo, protože bylo stlačováno gravitací a v podstatě převádělo obrovské množství energie z dostředného tlaku gravitace v energii kinetickou, která dává atomům (stavebním kamenům všech prvků) více energie k rychlejšímu pohybu a zahřívá Slunce tak, že září jako žhavý kus kovu či roztaveného skla.

V roce 1863 použil Kelvin Helmholtzovu myšlenku k výpočtu, že by bylo Slunce schopno tímto způsobem vydávat svoji energii nejméně 20 milionů let – mnohem déle, než bylo předpokládané stáří Země činící 6 000 let, což zhatilo vypočet založený na úvaze, že je „Slunce poháněno uhlím“. Ve stejném roce Kelvin také využil myšlenky přenosu tepla na Zemi k výpočtu jeho stáří za předpokladu, že Země byla kdysi roztavená a od té doby se dostatečně dlouho ochlazuje, abychom mohli stát na její pevné zemské kůře složené z hornin. Kelvin vypočítal, že také Země musí být stará asi 20 milionů let.⁸ Podobnost obou Kelvinových odhadů, stáří Země a Slunce, byla interpretována jako úspěch. Pokud by Země a Slunce vznikly ve stejnou dobu, ze stejné směsi prvků, pak by to konečně vysvětlovalo podobnost vzájemně sdílených prvků a stejně tak vyřešilo problém, čím je slunce poháněno.

Fyzikové tedy byli šťastni, ale biologové a geologové rozhodně ne. Protože několik let předtím, než Kelvin odhadl stáří Země, vydal v roce 1859 biolog jménem Charles Darwin svoji knihu O původu druhů, která podrobně popisuje jeho novou evoluční teorii. V té uvádí, že veškerý život na Zemi se vyvinul ze společného předka a rozvětvil se prostřednictvím různých mutací motivovaných přírodním výběrem (tím, co by Herbert Spencer o několik let později nazval „přežitím nejschopnějších“). V 70. letech 19. století většina vědeckého světa – a laici, kteří tomu věnovali pozornost – přijala myšlenku evoluce. Byl tu jen jeden malý problém: proces evoluce zabral čas, spoustu času. Sám Darwin ve své knize O původu druhů z roku 1872 poznamenal, že Kelvinův odhad stáří země na 20 milionů let nedává dostatek času na to, aby evoluce nastala. Evoluce potřebuje miliardy, ne miliony let.

Mezitím se geologové pokoušeli o vlastní metody k výpočtu stáří Země. Buď stanovením rychlosti, jakou horniny vytvářejí a ukládají sedimenty, nebo zvažováním procesu hromadění soli v oceánech. Tento nápad měl irský geolog a fyzik John Joly, který v roce 1899 usoudil, že se sůl (tj. chlorid draselný) vyplavuje z hornin do řek, které se pak vlévají do moře. Pokud zemské oceány v době vzniku neobsahovaly sůl, pak z rychlosti, kterou sůl protéká řekami, můžeme zjistit, jak dlouho by trvalo, než by sůl vytvořila koncentraci, jež má dnes v moři. Tím by šlo získat odhad stáří Země. Jen pro vaši informaci, Joly odhadl, že se v oceánech nachází 14 151 bilionů tun sodíku, zatímco v řekách 24 106 tun sodíku na krychlovou míli vody. Odhadl také, že celkový objem vody, která opouští řeky a vstupuje do oceánu, je 6 524 kubických mil za rok (cca 27 176 kilometrů krychlových). Využitím běžných matematických metod tak získáme odhad, že hromadění soli v oceánu trvalo 90 milionů let.⁹

Sice to bylo blíže očekávání biologů – stále však nešlo o miliardy let, které by byly přínosem pro Darwinovu evoluční teorii, ale i umíráčkem pro Kelvinův odhad stáří Slunce. Další průlom byl odstartován v roce 1895, kdy francouzský fyzik Henri Becquerel objevil, že atomy uranu jsou nestabilní, časem se spontánně přeměňují na stabilnější prvky a přitom uvolňují záření. Jeho doktorandka Marie Curie--Skłodowská se rozhodla toto záření prozkoumat pro svou dizertační práci pomocí nástroje, který její manžel Pierre Curie (tehdy studoval krystaly) vynalezl před patnácti lety k měření elektrické energie. Zjistila, že záření vydávané atomy uranu způsobuje, že vzduch v jejich okolí vede elektřinu, a vyslovila hypotézu, že záření musí pocházet ze samotných atomů (spíše než aby vznikalo interakcí s molekulami vzduchu).

Tím klíčovým při objevu radioaktivity je doklad, že transformace (nebo „rozpad“) nestabilních prvků probíhá konstantní rychlostí. Pokud dokážete změřit množství nestabilního prvku a porovnat ho s prvkem stabilním, ve který se mění, pak můžete zjistit, jak dlouho se rozpadá. To představuje průlom, který způsobil revoluci v geologii. V roce 1907 byla tato metoda „radioaktivního datování“ aplikována na horniny Země, přičemž naznačila, že Země (a tedy i Slunce, kolem kterého obíhala) byla stará nejméně několik miliard let.¹¹

⁴ Také známé jako Velká medvědice.