Keď stúpa tlak
Hlbokomorské živočíchy majú špeciálne vlastnosti, ktoré im pomáhajú vyrovnať sa s obrovským tlakom vody.
Atmosféra na našej planéte pôsobí na zemský povrch určitou tlakovou silou. Tento tlak vzduchu nazývame atmosférický a závisí od nadmorskej výšky, veľkosti tiažového zrýchlenia, hrúbky, teploty a hustoty atmosféry v mieste merania. Ľudia bežne žijú v tzv. normálnej hladine tlaku vzduchu, ktorá má hodnotu jednej atmosféry, teda približne 100-tisíc pascalov. Tomu sa prispôsobil aj náš organizmus. Tlak vzduchu nie je stály a mení sa s nadmorskou výškou, čo pociťujeme napríklad pri lietaní alebo vo výťahoch v mrakodrapoch. Počas letu či výstupu výťahom máme možnosť rozdiel tlakov priebežne vyrovnávať. Najmä vnútorné ucho býva pri zmene tlaku mimoriadne citlivé. Keď k takejto rýchlej zmene dôjde, nastane na bubienkoch nerovnováha. Dochádza k ich napnutiu (blana reaguje na rozdiel tlakov), čo môžeme cítiť ako ostrú bolesť. Ako to zastaviť? Vnútorné ucho je prepojené s nosnou dutinou cez tzv. Eustachovu trubicu. Tá sa pootvorí napríklad pri prežúvaní alebo prehĺtaní a umožní vyrovnanie tlakov. Funguje aj postup: nadýchnuť sa, zapchať si nos, zatvoriť ústa a opatrne skúsiť vydýchnuť – zvýšený tlak trubicu pootvorí. Väčší problém s tlakom nastáva vo vode. Ak sa ponoríme do hĺbky 10 metrov, tlak vody je jedna atmosféra a k tomu treba pripočítať jednu atmosféru tlaku vzduchu nad vodou. A čo viac, každých desať metrov stúpa tlak o ďalšiu jednu atmosféru. V hĺbke tisíc metrov je tak stonásobný tlak v porovnaní s povrchom. Ako sa to dá prežiť? Tlak spôsobuje rôzne problémy. Bežný človek tlačí nohami na zem asi tlakom 1/5 atmosféry. Ak sa postavíme na rajčinu, rozpučíme ju. Ak ju ponoríme do hĺbky dvoch metrov, čomu zodpovedá približne takýto tlak, nič sa jej nestane. Prečo? Lebo tlak na ňu tlačí rovnako zo všetkých strán. Ak sa nadýchneme na povrchu a ponoríme sa do hĺbky desať metrov, cítime, ako sa nám voda snaží stlačiť hrudný kôš. Ak sa ponoríme o ďalších pár desiatok metrov, ide o poriadnu bolesť. Vedci nepoznajú presnú hĺbku, kedy pľúca implodujú, no rekordy v hĺbkovom ponáraní sú vyše 100 metrov. Tlaku musia odolávať aj tkanivá a látky v telách rýb a iných morských živočíchov. Tlak stoviek atmosfér totiž vplýva napríklad aj na proteíny v ich telách. Tie sú však chránené látkou trimetylamín-N-oxid (TMAO) a čím hlbšie živočíchy žijú, tým viac jej majú. Zároveň táto látka pomáha udržiavať nerovnováhu medzi slanosťou vody (asi 3 %) a vnútorného prostredia rýb (asi 1 %). Ryby by, samozrejme, dopĺňaním ďalšieho TMAO nedokázali prežiť akýkoľvek tlak. Existujú určité fyziologické limity a pri ich prekročení začne osmotický tlak poškodzovať ostatné orgány. Podľa výpočtov umožní maximálna možná koncentrácia tejto látky prežiť rybám hĺbku až 8,2 km (tlak 800 atmosfér). Najhlbšie žijúcou doposiaľ objavenou rybou je Pseudoliparis swirei (na obrázku hore je CT sken ryby s požitým kôrovcom), pozorovali ju v hĺbke 8 178 metrov pri dne Mariánskej priekopy.
Zvuky hladu
Za zvuk, ktorý počujeme najmä vtedy, keď sme hladní, môže ustavičný pohyb žalúdka a tenkého čreva.
Niektoré svaly v tele sa aktivujú, keď ich vedome potrebujeme. Keď sa chceme napríklad poškrabať na hlave, mozog vydá priam orchester signálov a tie odštartujú synchronizovanú akciu desiatok svalov. Keď splnia svoju úlohu, v pokoji čakajú na ďalší povel. Sú však svaly, ktoré nikdy neoddychujú. Najlepším príkladom je srdcový sval pracujúci bez prestávky celý život. Ďalšie svaly, ktoré nemusíme aktivovať vedome, sú hladké svaly tráviacej sústavy. Sú zodpovedné za peristaltiku, teda za pozdĺžny vlnovitý pohyb stien žalúdka a čreva. Cieľom tohto pohybu je presúvať obsah, v tomto prípade potravu. Bežne tieto svaly pracujú počas trávenia. Zastavia sa až približne dve hodiny po tom, čo je žalúdok prázdny, pretože sa z neho odstraňujú aj posledné zvyšky. Pohyb plynov a trávenej potravy vydáva zvuky. Kým sú žalúdok a tenké črevo plné, tieto zvuky sú tlmené. No počas záverečného čistenia, keď sú dutiny tráviacej sústavy prázdne, rezonujúcim zvukom už nič nebráni, aby ich bolo naplno počuť. Škvŕkanie v bruchu zaujalo už starovekých Grékov, ktorí mu dali názov borborygmus, podľa zvukov, ktoré sa počas trávenia zvnútra nášho tela ozývajú.
Malé monštrá
Čierne diery sú ikonou astrofyziky. Sú známe ako masívne objekty, ktoré požierajú celé svety. Internetom kolujú videá, ktoré nám zobrazujú tie najväčšie z nich, vážiace pokojne aj miliardkrát toľko, čo hmotnosť nášho Slnka. Rozmýšľali ste však niekedy aj nad opačným extrémom? Aké malé môžu čierne diery byť?
Život hviezd sprevádza ustavičný súboj. Gravitácia sa usiluje, aby sa hmota zrútila a stlačila do čo najmenšieho objemu. Tomu však bráni tlak, okrem iného spôsobený neustálymi termonukleárnymi reakciami. Niekedy gravitácia preváži nad všetkými efektmi, ktoré inak hviezdu stabilizujú, a tá začne kolabovať.
Horizont udalostí
Za istých podmienok tento kolaps nič nezastaví a všetka hmota sa zrúti do jedného bodu s nekonečnou hustotou a vznikne tzv. singularita. Teda aspoň tak vravia Einsteinove rovnice – skutočnosť bude asi zložitejšia, nemáme sa to však ako dozvedieť. Okolo tejto singularity totiž vznikne hranica, nazývaná horizont udalostí, spod ktorej nemôže nič uniknúť, dokonca ani svetlo. Preto vnútra čiernych dier zatiaľ dokážeme skúmať len pomocou rovníc. Tvar horizontu udalostí môže byť dvojaký. Buď ide o dokonalú sféru, ak čierna diera nerotuje, alebo o mierne sploštenú sféru, ak čierna diera rotuje. Veľkosť horizontu je pre nerotujúce čierne diery daná jednoduchým vzťahom. Pre tie rotujúce je situácia mierne zložitejšia, môžeme však aspoň ako odhad použiť ten istý vzťah. Pravidlo na výpočet veľkosti čiernej diery s danou hmotnosťou sa skladá z dvoch krokov. Po prvé, vyjadríme hmotnosť objektu relatívne pomocou hmotnosti Slnka. Po druhé, vynásobíme výsledok trojkou – výsledok je približný polomer horizontu udalostí vyjadrený v kilometroch. Inými slovami, čierna diera s hmotnosťou Slnka má polomer horizontu udalostí tri kilometre a koľkokrát je objekt ťažší (ľahší) ako Slnko, toľkokrát by mal byť väčší (menší) polomer. Napríklad Proxima Centauri, najbližšia hviezda k Slnku, váži zhruba 0,123-násobok hmotnosti Slnka a keby sa z ničoho nič zmenila na čiernu dieru, mala by polomer asi 350 metrov. Opačný príklad, hviezda Betelgeuze, druhá najjasnejšia hviezda v súhvezdí Orión, váži asi 11-násobok hmotnosti Slnka a ako čierna diera by tak mala polomer 33 kilometrov.
Pozorovateľné účinky
Dôležité ponaučenie je, že bežné čierne diery – napríklad tie, z ktorých zrážok pozorujeme gravitačné vlny – sú na astronomické pomery veľmi malé, majú len niekoľko desiatok kilometrov. Supermasívne čierne diery sa nachádzajú až v centrách galaxií. Čierne diery priamo nevyžarujú svetlo, v najlepšom prípade pozorujeme len ich vplyv na okolie. Zároveň sú veľmi malé a tak sú obľúbenou únikovou cestou astrofyzikov. Niekedy sa totiž stane, že vidíme gravitačné pôsobenie objektu, no nevidíme objekt samotný. A tak je pomerne logickou otázkou, či nejde o čiernu dieru. Napríklad v Kuiperovom páse v našej slnečnej sústave vidíme isté anomálie v pohybe objektov. V septembri roku 2019 navrhli Jakub Scholtz z Durhamskej univerzity a James Unwin z Illinoiskej univerzity, že by dôvodom mohla byť prítomnosť čiernej diery. Keby to bolo naozaj tak, mali by sme problém to dokázať – bola by totiž malá ako jablko. Ďalším príkladom je tmavá hmota, ktorá podľa astronomických pozorovaní tvorí veľkú časť vesmírnej hmoty a o jej prítomnosti vieme len vďaka jej gravitačnému pôsobeniu.
Vznik v ranom vesmíre
V prípade, že by išlo o čierne diery, museli by však byť menšie ako tie, ktoré vznikajú kolapsom hviezd. Ako by mohli vzniknúť? Podľa teórie vznikli krátko po veľkom tresku v miestach, kde bola nadpriemerná hustota hmoty. Touto teóriou sa zaoberal aj Stephen Hawking (1942 – 2018), ktorý okrem iného zistil, že čierne diery sa môžu vyparovať – čím sú menšie, tým rýchlejšie. Vďaka tomu sa podarilo experimentmi teóriu primordiálnych (prvotných) čiernych dier ako kandidátov na tmavú hmotu vylúčiť, aj keď ešte nie stopercentne. Drobné čierne diery sú však citlivé na fyziku, ktorú ešte nepoznáme, napríklad kvantovú gravitáciu. Hrubé rysy tejto teórie však tušíme a jedným z možných dôsledkov je existencia tzv. planckovských čiernych dier. Ich rozmer je na úrovni elementárnych častíc, sú takmer bodové, no vážia asi 20 milióntin gramu. Znie to málo, no je to asi štrnásť miliárd miliárd-násobok hmotnosti protónu. Je možné, že náš vesmír je plný takýchto mikroskopických čiernych dier a zostáva veľkou výzvou vymyslieť, ako by sme ich dokázali rozoznať.
Samuel Kováčik
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space.
