interakce černých děr s okolím

Akreční disky 

Pozorování akrečních disků a jejich elektromagnetické emise není stoprocentním důkazem o tom, zda pozorujeme černou díru, neboť se těmito disky obklopují i neutronové hvězdy či bílí trpaslíci a jejich elektromagnetické spektrum je podobné. Akreční disk je však dobrým vodítkem při hledání černých děr, jelikož při objevu akrečního disku je velká šance, že se vytvořil právě kolem černé díry. Navíc obří akreční disky, které svými rozměry vylučují přítomnost bílého trpaslíka či neutronové hvězdy, bývají většinou ukazateli na supermasivní černé díry (například v centrech většiny galaxií).

Jde o vířivý disk horké hmoty, která padá směrem k černé díře. Tato hmota může pocházet z blízké hvězdy, mezihvězdného plynu nebo ze zbytků hvězd, které černá díra roztrhala. Jak hmota spirálovitě klesá blíž k horizontu událostí, třením a působením extrémních gravitačních sil se zahřívá na velmi vysoké teploty. Energie se uvolňuje ve formě elektromagnetického záření, nejčastěji v rentgenové oblasti spektra. Právě díky tomuto záření můžeme černé díry nepřímo pozorovat, i když samotné jádro zůstává neviditelné.

Akreční disk nezáří rovnoměrně. Nejvíce energie se uvolňuje ve vnitřních částech disku, těsně nad horizontem událostí. Existuje však hranice, pod kterou už žádná stabilní kruhová dráha neexistuje. Tato hranice se označuje jako ISCO (z anglického Innermost Stable Circular Orbit), tedy nejvnitřnější stabilní kruhová dráha.

Co je ISCO?

• ISCO vymezuje nejbližší vzdálenost, na které ještě může hmota obíhat kolem černé díry bez toho, aby spadla dovnitř.
• Její poloha závisí na tom, zda se černá díra otáčí, a pokud ano, jak rychle.
• U neotáčející se černé díry leží ISCO ve vzdálenosti trojnásobku Schwarzschildova poloměru. U rotujících černých děr může být blíž, protože rotace vytváří efekt "strhávání" prostoru.
• Tato oblast je pro vědce velmi důležitá, protože právě zde se vytváří nejjasnější část akrečního disku. Navíc poskytuje klíčové informace o vlastnostech černé díry, zejména o její rotaci.

Ze záření, které přichází z akrečního disku, lze odečíst mnohé. Obsahuje spektrální čáry – specifické "otisky" chemických prvků, které září při určitých vlnových délkách. Tyto čáry se deformují vlivem vysokých rychlostí a gravitace, což umožňuje vědcům zjistit hmotnost černé díry, rychlost jejího otáčení a další charakteristiky. A to vše jen díky světlu, které pochází z oblasti vzdálené několik kilometrů od horizontu událostí.

Zajímavost:
Některé akreční disky září tak silně, že na krátký čas překonají jas celé galaxie. Tento jev pozorujeme například u kvasarů, což jsou aktivní galaktická jádra poháněná supermasivními černými dírami.

Představa autora obrázku zachycuje binární systém černé díry a hvězdy hlavní posloupnosti. Černá díra „přetahuje“ materiál hvězdy, z něhož se pak vytváří akreční disk, který generuje elektromagnetickou emisi. Patrný je relativistický jet (výtrysk)
(zdroj obrázku: en.wikipedia.org)

 Relativistické jety (výtrysky)

Kromě akrečních disků pozorujeme u některých černých děr také jev, který na první pohled působí jako naprostý protiklad pohlcování hmoty – výtrysky. Jde o úzké proudy částic, které jsou vystřelovány z blízkosti černé díry obrovskou rychlostí, často blížící se rychlosti světla.

Relativistické jety vznikají nejčastěji u supermasivních černých děr nacházejících se v centrech aktivních galaxií, například u kvasarů nebo rádiových galaxií. Jejich vznik je spojen s magnetickým polem, které obklopuje akreční disk. Při rotaci černé díry i samotného disku se toto magnetické pole natáčí a funguje jako obrovský urychlovač částic. Některé z těchto částic pak místo toho, aby padly do černé díry, uniknou podél osy rotace směrem ven, často v obou směrech, a vytvářejí dvojici protilehlých výtrysků.

Tyto proudy nabitých částic vyzařují záření, které můžeme pozorovat pomocí radioteleskopů, dalekohledů v rentgenovém i viditelném světle. Relativistické trysky jsou tak silné, že je lze pozorovat z milionů světelných let daleko. Některé z nich dosahují délky tisíců světelných let a svítí tak intenzivně, že svým zářením předčí celou hostitelskou galaxii.

Silné elektromagnetické emise

Rentgenové a gama záření ještě stoprocentně nedokazuje přítomnost černé díry, avšak je dobrým vodítkem, neboť snadno proniká skrze materiál mlhovin či akrečních disků. Po dlouhodobějším pozorování zdroje lze však učinit některé závěry. Vykazuje-li spektrum nepravidelnosti v podobě záblesků, jedná se s největší pravděpodobností o neutronovou hvězdu nebo bílého trpaslíka. To je dáno tím, že relativisticky se pohybující částice dopadají na kompaktní povrch a uvolňují tak energii v podobě gama nebo rentgenových fotonů.

Vznik elektromagnetické emise z akrečního disku černých děr
(zdroj obrázku: en.wikipedia.org)

Na druhou stranu, je-li spektrum pravidelné (bez záblesků), jedná se o černou díru, neboť černá díra nemá hmotný pevný povrch a k nárazu částic nemůže docházet. Emise rentgenového a gama záření z akrečních disků černých děr je založeno na odlišném principu. Materiál během spirálovitého pohybu směrem ke gravitačnímu centru ztrácí gravitační potenciální energii a část z této potenciální energie se přemění vzájemným třením materiálu na teplo. Tím se akreční disk zahřívá. Při dosažení teploty několika miliónů kelvinů emituje rentgenové a gama záření.

Na Zemi pozorujeme záření s gravitačním a dopplerovským rudým posuvem. Míru gravitačního rudého posuvu určuje poloha atomu, ze kterého je foton emitován. Míra dopplerovského posuvu je určena velikostí a směrem rychlosti vzhledem k pozorovateli v době emise. S ohledem na všechny atomy akrečního disku je výsledkem značně rozšířená spektrální čára, která nese informace o akrečním disku.

Díky tomu, že hodnota gravitačního posuvu je rozdílná v různých polohách akrečního disku vzhledem k pozorovateli a závisí na vzdálenosti emitujícího atomu od středu disku, můžeme z charakteru spektrálních čar usuzovat například na velikost disku.

Gravitační čočky

Jedním z fascinujících důsledků Einsteinovy obecné teorie relativity je schopnost hmotných těles ohýbat světlo, které kolem nich prochází. Čím větší je hmotnost tělesa a čím více zakřivuje prostor, tím výraznější je tento efekt. Tomuto jevu se říká gravitační čočkování.

Velmi hmotné těleso (černá díra) deformuje časoprostor, a tím zakřivuje i trajektorie světelných paprsků, což má za následek buď zesílení nebo zeslabení zdánlivého obrazu zdroje. Pokud se mezi nás a vzdálený zdroj světla (např. hvězdu nebo galaxii) dostane černá díra, může světlo z tohoto zdroje projít různými zakřivenými cestami kolem černé díry a dorazit k pozorovateli z více směrů. Díky tomu můžeme vidět:

• více obrazů stejného objektu,
• zakřivený nebo prstencový tvar světelného zdroje (tzv. Einsteinův prstenec),
• nebo zesílený jas, protože světlo je gravitačním polem soustředěno podobně jako čočkou.

Gravitační čočkování je velmi cenným nástrojem v astrofyzice. Umožňuje:

• mapovat rozložení temné hmoty,
• detekovat velmi vzdálené objekty, které by jinak nebyly vidět,
• nebo ověřovat přítomnost černých děr i v místech, kde není žádné záření z akrečního disku.

Simulovaný pohled na Velké Magellanovo mračno skrz gravitační čočku
(zdroj obrázku: en.wikipedia.org)

Hlavní rozdíly mezi gravitační čočkou a optickou čočkou jsou dva. Za prvé, gravitační čočka nemá ohnisko, za druhé, k největšímu ohybu u gravitační čočky dochází poblíž středu čočky a k nejmenšímu ohybu na okrajích.

Princip ohybu světla gravitační čočkou
(zdroj obrázku: en.wikipedia.org)

Čtyři obrazy stejného zdroje v uskupení známém jako Einsteinův kříž
(zdroj obrázku: en.wikipedia.org)

Počítačová simulace gravitační čočky
(zdroj obrázku: en.wikipedia.org)

Pozorování těles obíhající možnou černou díru

Na těleso (hvězdu) tvořící binární systém s „kandidátem“ na černou dírou aplikujeme Keplerovy zákony. Můžeme tak zjistit hmotnosti obou těles, na jejichž základě můžeme rozhodnout, zda se jedná o černou díru, neutronovou hvězdu nebo bílého trpaslíka. Je-li hmotnost kandidáta vyšší než Chandrasekharova mez, a zároveň vyšší než Oppenheimerova-Landauova mez, jedná se s největší pravděpodobností o černou díru.