Tajemné blýskání černých děr  
Superpočítače pomáhají odhalit mechanismy vzniku na Zemi nepředstavitelných gigantických jevů, které pozorujeme u hmotných černých děr.

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
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
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

Datum: 08.02.2022
Tisk článku

Související články:

Sloupy stvoření vyztužuje magnetické pole     Autor: Dagmar Gregorová (14.06.2018)
Dvě tváře neutronové hvězdy     Autor: Dagmar Gregorová (24.07.2018)
Studium nitra neutronových hvězd     Autor: Vladimír Wagner (26.04.2021)
Astronomové narazili na extrémně zvláštní rádiový zdroj v Mléčné dráze     Autor: Stanislav Mihulka (27.01.2022)



Diskuze:

Klamstvo - dlh

Zicho Trenčiansky,2022-02-10 09:00:02

Ukázalo mi tu reklamný baner s textom:

"Každým klamstvo si u pravdy vytvárame dlh. A raz ho budeme musieť splatiť" - Černobyl

No, to má naša civilizácia teda hodne čo splácať ;)

Odpovědět

Singularita

Jiří Splíchal,2022-02-09 21:00:36

Proč se mluví o singularitě, když podle kvantové teorie ani nemůže existovat včetně horizontu událostí, když se informace nemůže ztratit a ani zničit? Proto nelze předpokládat, že z černé díry nic nemůže uniknout. Minimálně informace by uniknout měla, otázka je jak jí nalézt a rozkodovat.

Odpovědět

Repetálek Kuzma,2022-02-09 06:42:44

Nebylo by jednoduší popsat co se netočí? Ptám se pro kamaráda od nás z ústavu.

Odpovědět

Hmotnost

Jaromír Šuhaj,2022-02-08 12:31:24

"Vznikne objekt nepředstavitelně kompaktní, deformující časoprostor natolik, že z něho neunikne nejen žádná hmotná částice, ale ani žádný foton."

Toto bych asi přeformuloval. Text budí dojem, že fotony jsou nehmotné částice :) Nějakou hmotnost mají všechny částice včetně neutrin. Částice bez hmotnosti by nebyla detekovatelná.(?)

Jinak je to pěkný článek a zajímavé téma.Jen tak dále...

Odpovědět


Re: Hmotnost

Dagmar Gregorová,2022-02-08 13:33:58

Děkuji. Neutrina mají nějakou klidovou pidihmotnost. Fotony ji nemají, mají různou "hmotnost" podle své energie (Einstein). Z tohoto hlediska pak neexistuje "něco" doslova nehmotné, protože i každá energie je svým způsobem "hmotná". - nakonec foton je nositelem elmag. interakce (světla). (Opomeňme esoterické představy o nehmotné myšlence - je vázána na chemicko-fyz. procesy, nebo duši, co opouští tělo, které vlastně nepotřebuje... apod.).

Odpovědět


Re: Re: Hmotnost

Jaromír Šuhaj,2022-02-08 16:59:35

Ano energie a hmota je podle Einsteina totéž, ta formulace mi připadá nešťastná právě proto, že by se toho chytli ti esoterici a jim podobní. Já bych asi napsal, že z černé díry neunikne ani hmota ani záření, aby to bylo srozumitelné bez dvojznačnosti. Plést do toho monády atp. nebylo mým záměrem. Já osobně považuji za esoteriku i tachyony(to je ta nehmotná myšlenka mimo náš časoprostor :) ), gravitony, temnou hmotu a temnou energii, protože vidím chybu v tom je zavádět z pohledu metodiky. Ale to už je trochu OT, tak tedy položím otázku k černým děrám.

Jaký je Váš názor na singularity? Myslíte, že singularity existují, nebo nám jen chybí správný matematický popis pro extrémní podmínky?

Odpovědět


Re: Hmotnost

Florian Stanislav,2022-02-08 20:51:30

Pro pana Šuhaje. Formulace "neunikne nejen žádná hmotná částice, ale ani žádný foton." je jasná a říká, co se děje.
Opravujte na : "neunikne ani hmota ani záření, aby to bylo srozumitelné bez dvojznačnosti. "
Vaše vysvětlení je z bláta do louže.
Hmota je pojem podle klasické fyziky = látka složená z částic, které mají nenulovou klidovou hmotnost + fyzikální pole( foton má klidovou hmotnost nulovou).
Wikipedie :" Dnes, podle standardního modelu, je všeobecně přijímána představa rozdělení forem hmoty podle charakteru elementárních částic hmoty – na látkové částice (často nesprávně nazývané také "částice hmoty"), tedy kvarky a leptony (všechny mají polocelý spin, proto patří do fermionů, a ke každé existuje odpovídající antičástice) a na polní částice (intermediální, tedy zprostředkující interakci) a mající celočíselný spin, tedy patřící do bosonů."

Odpovědět


Re: Re: Hmotnost

Jaromír Šuhaj,2022-02-08 22:26:25

Máte pravdu. Zapomněl jsem na alfa záření, takže by to bylo pověstné míchání jablek a hrušek.

Odpovědět


Re: Re: Hmotnost

Zicho Trenčiansky,2022-02-10 08:53:26

ked sa model zacina komplikovat, aby vyhovel pozorovaniam, je cas ho nahradit - Stephen Hawking

Akurat ze to hovoril o modely eteru, nejak to uz nevedel aplikovat na svoj model, ked musel zaviest multiversa aby vysvetlil spravanie single-fotonov na difrakcnej mriezke. A nejake bosony a leptony su z toho isteho cesta.

Vesmir/priroda funguje od jednoduchejsich konceptov ku komplexnejsim. Ak zvysujeme komplexnost na najnizsej urovni, nieco robime zle. Pravdepodobne sme v zajati teorie, ktoru sme formulovali, ked sme este pozorovali vyssie urovne.

Odpovědět


Re: Re: Re: Hmotnost

Vojtěch Kocián,2022-02-10 09:36:53

Tak zrovna u single fotonů na mřížce opravdu není třeba nic nového vymýšlet a už vůbec ne multiverza. Světlo má (ostatně jako všechno ostatní) duální povahu - vlnovou a částicovou. Když prochází mřížkou, je to vlna v poli - kontinuální, vůbec se nechová kvantově, takže krásně interferuje. Proč? Protože s mřížkou nijak energeticky neinteraguje (tedy ta část, co projde skrz). Kvantově se začne chovat, až když má s něčím interagovat - třeba vykopnout elektron na vyšší orbital. Pak se musí prostorově relativně velká vlna koncentrovat do mnohem menšího místa a předat tam definované kvantum energie. To je to, čemu říkáme foton. Vzduchem, vakuem, optickým kabelem neběhají žádné fotony ve formě kuliček, ale šíří se vlny. Fotony jsou jen kvanta energie, která se předávají při interakci elektromagnetické vlny s hmotou. Pokud to dobře chápu, jde o kolaps vlnové funkce, při kterém se energie předá jedné z částic v prostoru, ve kterém se vlna nachází. Která konkrétně to bude je věc pravděpodobnostního rozložení odpovídajícího rozložení intenzity vlnění v prostoru.

Odpovědět

Jozef Vyskocil,2022-02-08 09:54:05

"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."
Pri nulovom polomere singularity by mali byť jej otáčky nekonečné. Ale bod asi nemôže rotovať.

Odpovědět


Re:

Vojtěch Kocián,2022-02-08 12:22:42

Singularita je bodová jen u nerotujících černých děr (což je mezní případ a reálně by se vyskytnou neměl). U rotujících je prstencová, takže nemá nulový poloměr. Pořád však má nulový objem a nekonečnou hustotu.

Tolik současná teorie. Třeba se v budoucnu ukáže, že pod horizontem událostí je něco hmatatelnějšího.

Odpovědět


Re: Re:

Jan Novák9,2022-02-09 10:07:04

Nekonečná hustota by měla odpovídat nekonečné gravitaci a nekonečnému zpomalení času. Je jedno jakou odmocninou dělíte nekonečno, vždycky zůstane nekonečnem. Z hmotnosti a gravitačního působení by mělo jít vypočítat jak veliká ta singularita je.
Protože se ale černá díra projevuje jako hmota stlačená do velikosti horizontu, tak tam asi žádná singularita není - nebo by se vytvořila v nekonečném čase z pohledu vnějšího vesmíru (ale mezitím se černá díra vypaří)

Já myslím že pod horizontem by měla být hmota zamzlá v čase okamžiku zhroucení.

Odpovědět


Re: Re: Re:

Vojtěch Kocián,2022-02-09 13:14:50

Z hmotnosti a gravitačního působení rozměry nepoznáte. Kdybyste v jednom okamžiku nahradil Slunce za stejně hmotnou černou díru, neutronovou hvězdu nebo bílého trpaslíka, tak to na gravitačním působení a oběžných drahách planet nebude poznat. Poznat by to bylo pouze, pokud byste se začal nořit dovnitř toho hmotného tělesa, což v případě černé díry znamená pod horizont událostí.

Pokud jde o hmotu pod horizontem, tak ta bude zamrzlá v čase jen pro vnějšího pozorovatele (respektive pro toho zamrzne dokonce těsně před překročením horizontu). Pro pozorovatele, který pod horizont vstupuje, by měl čas plynout normálně a v konečném čase by dosáhnul singularity. Je trochu matoucí, jak to, že potom můžeme černé díry detekovat, když tam z našeho pohledu nikdy žádný objekt nespadne úplně, ale v principu ani nemusí. Stačí, když je dost hluboko na to, aby byl červený posuv tak velký, aby to vypadalo, jako by objekt nic nevyzařoval.

Ano, taky se mi to moc nelíbí, ale lepší vysvětlení nejspíš přinese až nějaká teorie kvantové gravitace, na kterou si my laici budeme muset počkat, až se mezi odborníky objeví nějaká osobnost typu Einsteina.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re:

Zicho Trenčiansky,2022-02-10 08:49:06

netreba kvantovu gravitaciu. Staci prerobit astronomicke modely, ktore neodpovedaju realite. V prvom rade nemame cierne diery a nemame temnu hmotu. Tak ako Kolombova zena, aj cierne diery si niekto vymyslel. Bud Kolombo aby nevyzeral ako cudak, alebo scenarista aby Kolombo nevyzeral ako cudak ;)

pravdepodobne aj hviezd je ina ako je akceptovane.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re:

Vojtěch Kocián,2022-02-10 14:51:29

Nevím, jaká pozorování nesouhlasí s teorií o existenci černých děr. Bohužel těch pozorování až tak moc nemáme, takže třeba se na nějaké nesrovnalosti přijde.

Hledání chybějící hmoty ve formě slabě zářících a tedy ze Země nepozorovatelných hvězd, jejich planetárních systémů, bludných planet, plynných a prachových mračen... je jeden ze způsobů, jak temnou hmotu vysvětlit. Akorát se obávám, že už bylo několikrát prokázáno, že je to prostě málo. A nejde jen o rotaci galaxií, ale i o gravitační čočkování, pomocí kterého se dají masivní objekty jako kupy galaxií vážit.

Colombova žena je stejně vymyšlená jako Colombo sám, ale v rámci seriálu je reálná, i když ji divák nikdy nevidí. Několik dalších postav se zmínilo, že ji viděly nebo s ní dokonce mluvily. Stejně tak víme o existenci černých děr a o něčem, čemu v důsledku naší neznalosti říkáme černá hmota, kterou může být i díra v našich teoriích (MOND).

Odpovědět


Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku








Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace