Záření unikající z akrečního disku v okolí supermasivní černé díry. Umělecká představa: ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser
Černé díry jsou zpravidla obklopeny rozsáhlými disky hmoty, které vědci odborně nazývají akrečními disky. Silná gravitace černé díry ovlivňuje jak fyzikální procesy probíhající v discích, tak emitované záření, což umožňuje astronomům studovat strukturu disků a také poznávat vlastnosti samotné černé díry. Zatímco z černých děr neunikne ani světlo, disky září extrémně jasně. Informace o tom, jak se pohybují fotony v disku obklopujícího černou díru a jak jejich interakce s hmotou v těchto discích může působit na produkované záření, které pozorujeme ze Země, nám odhalí mnohem více zajímavostí o černé díře samotné. A takové pátrání je náplní disertační práce Dmitriye Ovchinnikova, studenta Fyzikálního ústavu v Opavě.
Dmitriy Ovchinnikov, původem z Uzbekistánu, se výzkumem záření v okolí černých děr zabývá už od roku 2019. „Cílem mé disertační práce je prozkoumat, jak interakce mezi zářením a hmotou v akrečních discích v okolí černých děr ovlivňují klíčové vlastnosti ze Země pozorovaného záření. Zpětně nám to tak pomáhá lépe poznat vlastnosti černých děr samotných a jejich bezprostředního okolí. Spolu s dalšími vědci se snažíme se pochopit struktury akrečních disků, a tedy i děje v horké látce obklopující extrémní objekty, jakými jsou černé díry. Abych mohl tuto studii provést, zkoumám, jak se fotony pohybují kolem černých děr a jak se záření přenáší v samotných akrečních discích. Analyzuji různé mechanismy pomocí modelů tzv. vícenásobných toroidních struktur kolem různých typů černých děr,“ popisuje student.
Co jsou vlastně akreční disky?
Simulační obrázek akrečního disku okolo rotující černé díry, který se skládá ze dvou torů. Autor: Dmitriy Ovchinnikov/FÚ v Opavě.
Akreční disky jsou útvary tvořené z rychle rotujícího plynu, který se postupně spirálovitě spouští a klesá na centrální těleso. Pro nás nejvíc zajímavé jsou akreční disky v okolí černých děr, ale nejsou to jediné typy těles, které disky obklopují. Pro astrofyziky jsou tyto disky každopádně prakticky bezednou studnicí informací, neboť jsou řízeny kombinací fascinujících fyzikálních procesů, včetně gravitačních a elektromagnetických interakcí, dynamikou tekutin či přenosu záření, Studium a modelování těchto jevů nám pomáhá lépe pochopit jejich strukturu. „Pohybová energie látky rotující v disku vlivem různých procesů přechází na jiné formy, například tepelnou, což způsobuje, že část hmoty ve vnitřní části disku pak padá na černou díru. Uvnitř akrečních disků je látka tvořená většinou nabitými částicemi a díky tomu se zde vytváří i magnetické pole. Tření ve vnitřní části disku hmotu výrazně ohřívá a vzniká záření, které může vzdálený pozorovatel registrovat. A právě tímto zářením se zabývám,“ upřesňuje student a dodává, že právě vlastnosti černé díry, která je diskem obklopena, pak stojí za změnami intenzity i dalšími vlastnostmi pozorovaného záření. Jeho studium nám tak odhaluje nejen vlastnosti disku, ale i samotné černé díry. Je to vlastně taková detektivní práce.
Vědecky velmi přínosné bádání
Historicky první snímek záření obklopujícího stín černé díry v naší Galaxii. Foto: EHT Collaboration
Tento výzkum je vědecky velmi přínosný, neboť pochopení fyzikálních procesů v silných gravitačních polích je jedním z nejlepších způsobů, jak ověřit Einsteinovu teorii gravitace i jakékoliv alternativní gravitační teorie. Navíc má studium akrečních disků rozsáhlé využití v dalších oblastech astrofyziky. Kde se s akrečními disky astrofyzikové setkávají nejčastěji?
„Akreční disky neobklopují pouze černé díry. Vznikají například při formování hvězd a kolem hvězd v těsných dvojhvězdných soustavách. Najdeme je i kolem neutronových hvězd. V okolí černých děr ale hrají klíčovou roli při pozorování energeticky nejsilnějších jevů ve vesmíru. Teorie akrečních disků se užívá ke zkoumání různých zdrojů záření v naší Galaxii, a to v širokém rozsahu vlnových délek, neboť produkují různé typy záření. Týká se to pochopitelně i centra naší Galaxie, kde se nachází masivní centrální černá díra. Disky pomáhají astronomům také při studiu jasných centrálních oblastí jiných galaktických center, kde vznikají takové jevy jako jsou relativistické výtrysky látky nebo gama záblesky. Zkoumání procesů v akrečních discích nám umožňuje vysvětlit charakteristické fyzikální rysy, například ve spektrech nebo světelných křivkách, a dokáží nám tak říct mnohem více o tělese, které obklopují,“ uvádí příklady Ovchinnikov.
Nezůstává se jen u disků
Mladý vědec ovšem ve své práci nestuduje jen akreční disky. „Během svého doktorského studia se podílím i na dalších výzkumných projektech, které částečně souvisejí s předmětem mé disertační práce. Tyto projekty se zaměřují na zkoumání různých optických jevů vyskytujících se v silných gravitačních polích různých alternativních modelů černých děr, například kolem tzv. regulárních černých děr, které nemají centrální singularitu. Specifickými metodami se s dalšími astrofyziky pokoušíme určit charakteristiky takových černých děr, včetně jejich hmotnosti, rotace i sklonu. Také simulujeme potenciální výsledky pozorování pro takové objekty a porovnáváme je i s již dobře známými modely, které navrhli slavní fyzikové před námi, jako například Karl Schwarzschild nebo Roy Kerr,“ vysvětluje student.
Výzkum a matematická řešení gravitačních polí samotných černých děr jsou stále předmětem teoretického bádání, které vychází například ze spojení Einsteinovy obecné teorie relativity se složitými vzorci pro elektrodynamiku. Jejich kombinováním totiž vědci získávají lepší základ pro výzkum pohybu nabitých částic a fotonů v okolí černých děr a v samotném důsledku takové rozšířeni pomáhá lépe pochopit chování látky i světla v časoprostoru.
Kontakt na autora práce
Dmitriy Ovchinnikov
Fyzikální ústav v Opavě
Email: dmitriy.ovchinnikov@physics.slu.cz
Telefon: +420 553 684 278
Další kontakty
RNDr. Tomáš Gráf, Ph.D.
Fyzikální ústav SU v Opavě, vedoucí observatoře WHOO! a Unisféry
Email: tomas.graf@fpf.slu.cz
Telefon: +420 734 268 124
Mgr. Petr Horálek
PR výstupů evropských projektů FÚ SU v Opavě
Email: petr.horalek@slu.cz
Telefon: +420 732 826 853
doc. RNDr. Gabriel Török, Ph.D.
Garant evropského projektu HR Award
Email: gabriel.torok@physics.cz
Telefon: +420 737 928 755
prof. RNDr. Zdeněk Stuchlík, CSc.
Ředitel Fyzikálního ústavu SU v Opavě
Email: zdenek.stuchlik@physics.slu.cz