Zvětšit obrázek

Vizualizace prvních dvou relativistických obrazů planetky na mírně excentrické orbitě v těsné blízkosti nepříliš rychle rotující Kerrovy černé díry z pohledu vzdáleného pozorovatele. Nepravé barvy odpovídají hodnotám frekvenčního posuvu vyzařování povrchu planetky. Kredit: Bakala et al.

Mezinárodní astronomická Unie pořádá sympozium "Extragalactic Jets from every angle" ve dnech 15-20.9.2014 v atraktivní lokalitě Galapážských ostrovů (Ekvádor).  Vědecký program sympozia je věnován vysokoenergetickým výtryskům vznikajícím v blízkosti supermasivních černých děr v jádrech galaxií i mikrokvasarech - v binárních hvězdných systémech s černou dírou.

Tým českých vědců (Dr. Pavel Bakala, Dr. Eva Šrámková a Dr. Andrea Kotrlová) veze na Galapágy výsledky relativistických simulací rentgenového záření disků a toridálních struktur, které obíhají v extrémně zakřiveném prostoročase v těsné blízkosti Kerrových rotujících černých děr. Binární hvězdné systémy s černou dírou (mikrokvazary) jsou právě těmi místy ve vesmíru, kde lze testovat Einsteinovu obecnou relativitu ve skutečně silném gravitačním poli. Pokud na černou díru přetéká hmota hvězdného partnera, žhavá plazma kolem ní vytváří rentgenově zářící akreční disky nebo toroidální struktury, na jejichž vnitřním okraji orbitální rychlost dosahuje až desetiny rychlosti světla. Navíc se šíření elektromagnetického záření v prostředí silné gravitace černých děr radikálně odlišuje od optiky v plochém prostoročase, kterou chápeme intuitivně díky naší bezprostřední zkušenosti získané ve velmi slabém gravitačním poli Země.

Zvětšit obrázek

Vizualizace vzhledu vzdáleného vesmíru z pohledu pozorovatele unášeného rotací prostoročasu těsně nad horizontem velmi rychle rotující Kerrovy černé díry. Vlevo je pohled na pozorovatelovu oblohu směrem od černé díry, vpravo je přivrácená a odvrácené hemisféra oblohy nezkreslené gravitačním polem. Kredit: Bakala et al.

V plochém euklidovském prostoru jsou světelné trajektorie jednoznačnými přímkami spojujícími zdroj a pozorovatele, kterým odpovídá jediný obraz zdroje záření. Pro extrémně zakřivený prostoročas v okolí černých děr je naopak charakteristický teoreticky nekonečný počet odlišných trajektorií, po kterých dorazí světlo od zdroje k pozorovateli, kterým proto odpovídá i nekonečný počet obrazů zdroje. Významná je však intenzita pouze těch několika paprsků, které neopisují příliš mnoho orbitálních smyček kolem černé díry.

Komplexní působení ohybu světla, časového zpoždění paprsků a frekvenčního posuvu v silné gravitaci spolu s dopplerovskými efekty vysokých orbitálních rychlostí tak způsobuje zcela bizarní výslednou geometrii optického zobrazování (viz první obrázek vpravo). Pod vedením Dr. Pavla Bakaly je na Slezské Univerzitě v Opavě dlouhodobě vyvíjen softwarový balík LSDcode, který umožňuje modelovat pokročilými metodami numerické relativity a relativistického raytracingu jak vznik a šíření elektromagnetického záření v těsné blízkosti černoděrových horizontů událostí, tak i jeho detekci v teleskopech virtuálních pozemských pozorovatelů.

LSDcode nyní v případě prostočasu v okolí rotujících Kerrových černých děr hvězdných velikostí dosahuje při výpočtu trajektorií fotonů popisovaných matematickým aparátem obecné relativity jako tzv. světelné geodetiky s nulovou délkou, přesnosti lepší než v řádu milimetrů a umožňuje zpracovat až desítky relativistických obrazů. Flexibilní architektura softwarového balíku umožňuje také řešit inverzní úlohu, patřící spíše do scifi literatury, vizualizovat vzhled vzdálených objektů na obloze virtuálních pozorovatelů, kteří se nacházejí v těsné blízkosti černé díry (viz druhý obrázek).

Zvětšit obrázek

První tři relativistické obrazy akrečního toru orbitující kolem černé díry. Vlevo je případ nerotující černé díry pro vzdáleného pozorovatele v rovníkové rovině, vpravo jsou dva pohledy s rozdílnou pozorovatelovou deklinací pro velmi rychle rotující Kerrovu černou díru. Nepravé barvy odpovídají opět hodnotám frekvenčního posuvu vyzařování povrchu toru. Kredit: Bakala et al.

Opavská doktorandka Kateřina Goluchová doplnila kód o numerické simulace oscilujících zářících kapalinových torů implementované na základě analytických prací Dr. Evy Šrámkové a prof. Omera Blaese (viz třetí obrázek). V okolí černých děr obíhající a oscilující tory jsou jedním z možných zdrojů velmi rychlé (až milisekundové) pozorované variability retgenového záření mikrokvazarů, takzvaných kvaziperiodických oscilací (QPOs). Teorie seizmologie disků popisuje jednoduché oscilace torů či disků v radiálním a vertikálním směru, ale i složitější periodické deformace. Klíčové je, že frekvence jednotlivých oscilačních módů jsou citlivě svázány s geometrií prostoročasu, a tedy i s hmotností a spinem (vnitřním momentem hybnosti udávajícím rychlost rotace) černých děr. Proto srovnání observačních dat z rentgenových družicových observatoří (Chandra, Rossi X-ray Timing Explorer) s teoretickými modely rentgenových QPO, založenými na oscilacích disků, nabízejí možnost, jak zvážit černé díry v mikrokvazarech, měřit jejich spin i testovat předpovědi obecné relativity.

Zvětšit obrázek

Logo sympozia

Zvětšit obrázek

Zdroj:
Bakala, P. et al. (2014): Power density spectra of modes of orbital motion in strongly curved space-time: obtaining the observable signal. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 439: 1933-1939.