Snímek z jedné z nových simulací černých děr. Zelené čáry magnetického pole jsou zde překryty proudy horkého plazmatu. Těsně před horizontem událostí černé je propojení magnetických siločar směřujících opačným směrem označen bodem X. Tento proces rekonekce uvolní energii, která část plazmatu vyvrhne do černé díry nebo do vesmíru. Vysokoenergetické plasma prudce zazáří. Kredit: B. Ripperda a kol., Astrophysical Journal Letters 2022.

Černá díra, podobně jako temná hmota nebo temná energie, je jako manželka inspektora Colomba – každý, kdo se o příslušné téma zajímá, slyšel, že existuje, ale nikdo ji v přímém záběru neviděl. Černá díra je gravitačně zkolabovaným zbytkem velké hvězdy s hmotností minimálně 20násobku našeho Slunce po gigantické explozi v závěru její zářivé hvězdné kariéry. A to doslova. Když supernova do okolí vymrští větší část vnější matérie, „vyhořelé“ jádro již nechrání odstředivě působící energie termonukleárních fúzí před drtivou dostředivou sílou gravitace. Když zbylé hmoty je víc než za tři naše Slunce (podle některých zdrojů 5), gravitační hroucení se nezastaví ani na hranici nám alespoň teoreticky známé hmoty. Vznikne objekt nepředstavitelně kompaktní, deformující časoprostor natolik, že z něho neunikne nejen žádná hmotná částice, ale ani žádný foton. Samotné nové kosmické těleso se ztratí z dohledu jakýchkoli lidských pozorovacích zařízení. Jeho existenci prozrazuje právě ta lokální porucha ve „vrstevnicích“ časoprostoru a jevy, které v jejím důsledku vzniknou. Na dně 4D prohlubně se vysmívá zlomyslná gravitační singularita.

Protože původní obrovská hvězda se otáčela kolem rotační osy a zákon zachování momentu hybnosti platí i při supernovách, vzniklá černá díra strhává okolní časoprostor do směru této rotace. Dokumentuje to veškerá hmota, která se dostane do zajetí gravitačního vlivu černého monstra. Nepadá do jeho chřtánu přímo, nýbrž je časoprostorovou deformací naváděna na spirální trajektorii. Je postupně stlačována do roviny rovníku, kde tak vzniká akreční disk. Jak se zachycený prach a plyn postupně přibližuje k vnitřnímu okraji disku (k tzv. nejvnitřnější stabilní kruhové dráze – Innermost Stable Cilcular Orbit – ISCO), zvyšuje rychlost a teplotu na tisíce až miliony kelvinů. Dochází k ionizaci, hmota přechází do stavu horkého plazmatu. Svým pohybem nejen generuje elektromagnetické pole, do směru své trajektorie strhává siločáry magnetického pole, které jim prostupuje z vnější a turbulencemi je deformuje.

Animace okolí supermasivní černé díry, jaká se nachází v srdci mnoha galaxií. Samotnou černou díru obklopuje zářivý akreční disk z velmi horkého plazmatu, který směrem ven přechází v plyno-prachový torus. Z polárních oblastí často tryskají vysokorychlostní proudy materiálu, které mohou sahat do obrovských vzdáleností. Urychluje je velmi silné magnetické pole, jehož siločáry vycházejí z oblasti kolem jetů a prochází akrečním diskem, kde jsou v polární oblasti proudícím vodivým plazmatem strhávány zpět k horizontu událostí. Kredit: European Southern Observatory (ESO)

První autor studie Bart Ripperda Kredit: Department of Astrophysical Sciences, Princeton University.

Právě magnetická pole mají na triku podstatnou část jevů, které kolem neviditelného centra probíhají. Kromě vysokoenergetických gigantických plazmatických proudů tryskajících z polárních oblastí horizontu událostí supermasivních černých děr, jsou odpovědny i za intenzivní záblesky ve vnitřní oblasti akrečního disku. Jak k tomuto tajemnému blýskání dochází? Dosavadní teoretické předpoklady nyní i pomocí doposud nejpřesnější simulace potvrdili vědci z několika významných pracovišť – amerického Centra výpočtové astrofyziky Ústavu společnosti Flatiron, Princetonské univerzity, Harvardské univerzity v americkém Cambridge, illinoiské Severozápadní univerzity (Northwestern University), britské University College London a holandské Amsterdamské university. Své výsledky publikovali v lednu v časopisu The Astrophysical Journal Letters.

Nová simulace okolí supermasivní černé díry, která na dlouhou dobu zaměstnala tři superpočítače, nabízí v porovnání s předcházejícími analýzami více než tisícinásobně podrobnější pohled na interakce mezi magnetickým polem a hmotou zachycenou silnou gravitací.

Základním předpokladem je silné magnetické pole, jehož silokřivky vystupují z horizontu událostí – z hranice mezi pozorovatelnou a poznatelnou realitou a samotnou černou dírou. U supermasivních monster požírajících obrovské množství hmoty je tak intenzivní, že z polárních oblastí vyvrhuje relativistickými rychlostmi gigantické plazmatické výtrysky – jety. Toto zhruba dipólové pole prochází akrečním diskem. Jak se plazma po stále se zmenšující a zhušťující spirále řítí rychleji a rychleji k černé díře a táhne s sebou jeho silokřivky, čímž v blízkosti horizontu událostí dojde k jejich větší koncentraci. Začnou se odpuzovat a odtlačovat obíhající materiál směrem ven, a tím ho vlastně chrání před pádem do temného nenávratna. Díky výjimečnému rozlišení nová simulace odhalila jak se magnetické pole v oblasti mezi obíhajícím plazmatem a polárními jety zesiluje a stlačuje siločáry v rovníkové oblasti k sobě. To způsobí, že se k sobě přiblíží opačně orientované části deformovaných silokřivek. Situace ideální pro magnetický zkrat, kdy v místě blízkého setkání „severního“ a „jižního“ úseku dojde k jejich propojení – k rekonekci. Z odtrženého zbytku silokřivky vznikne jakási magnetická kapsa naplněna horkým plazmatem. Obrovská energie uvolněná magnetickou rekonekcí ji katapultuje směrem k černé díře nebo ven do vesmíru. Extrémně zahřátá, urychlená hmota část energie sama vyzáří, případně se podělí i s okolními fotony. Pak tyto energetické částice světla z vesmírné dálky pozorujeme jako záhadné vzplanutí černé díry. Popsané magnetické zkraty se v akrečním disku v rovině rovníku černé díry vyskytují opakovaně. U superhmotných gigantů, jaký sídlí i v centru Galaxie, se perioda záblesků počítá na hodiny až dny, u těch menších, klidnějších černých děr i na roky. Samotný jev však přetrvává v řádu dnů.

Simulace zároveň naznačuje, že v místě magnetické rekonekce by se následkem odvržení části plazmatu mohlo otevřít předtím zatažené pozorovací okno a poskytnout pohled na procesy probíhající u horizontu událostí.

Vědci doufají, že výsledky simulace potvrdí i kombinace pozorování z nedávno vypuštěného vesmírného dalekohledu Jamese Webba a z pozemské soustavy rádioantén Event Horizon Telescope.

Poznámka

Rekonekce magnetických siločar má na svědomí i jevy, které důvěrně známe, jako jsou na Slunci výrony koronální hmoty (Coronal Mass Ejections - CME) - obrovské výrony plazmatu a magnetického pole z oblasti sluneční koróny. Když takový energetický plazmatický výtrysk zasáhne Zemi, ovlivní geomagnetické pole, výrazně zdeformuje magnetické siločáry, které se na půlnoční straně naší planety protáhnou, stlačí k sobě, čímž se přiblíží až dojde ke zkratům. Důsledky jsou podobné jako u černých děr, jen v neporovnatelně jiných měřítcích. Energetické ionizované částice vyvržené rekonekcí zpět k Zemi jsou v polárních oblastech zdrojem krásných nočních polárních září. Na denní straně Země je způsobují přímo částice CME. U výborného videa, které vše srozumitelně vysvětluje, je dobré si uvědomit prostorové dimenze Sluneční soustavy, aby bylo zřejmé, že ne každý oblak letící koronární hmoty se strefí do některé z planet.

Pohled shora na erupce ve vnitřní oblasti akrečního disku černé díry. Do černé díry zpočátku proudí horké plazma. Jak se magnetické pole vyvíjí, toto proudění se na vnitřní hranici disku obrací a tlačí část materiálu směrem ven. Dochází k turbulencím, magnetickému zkratu a erupci, která uvolní velké množství energie a vyvrhne bublinu horkého plazmatu z místa rekonekce. Po „rekonvalescenci“ magnetického pole se mechanismus začíná opět rozbíhat. Kredit: B. Ripperda a kol., Astrophysical Journal Letters 2022

Literatura

Astrophysical Journal Letters, Center for Computational Astrophysics Flatiron Institute