Novinky

Na čem pracujeme: Když gravitační síla soupeří s elektromagnetickou – Elektricky nabitá látka v okolí zmagnetizované černé díry

Chování látky v obvyklých laboratorních podmínkách známe velmi přesně, avšak extrémní situace nedokáže ani moderní fyzika uspokojivě popsat a vysvětlit. Do značné míry to záleží i na úhlu pohledu – co se nám jeví „extrémní“ může často být ve vesmíru zcela běžné. Z pozemského hlediska exotické objekty nejsou ve vesmíru nijak vzácné. Obecně se soudí, že v centru každé (nebo téměř každé) velké galaxie se nachází supermasivní černá díra obklopená množstvím mezihvězdného materiálu v podobě diskového toroidálního útvaru – akrečního disku, který černá díra gravitačně přitahuje a „konzumuje“. Je dobře známo, že gravitační přitažlivost je v těsné blízkosti černých děr enormně silná a pod horizontem událostí jí dokonce nic nedokáže vzdorovat. Trochu paradoxně, samotná gravitační interakce k úplnému a bezespornému popisu všech rozmanitých forem akrečních torů nestačí. Co přesně je však nutno doplnit? Odpověď na tuto otázku zůstává dosud pro astrofyziky velkou záhadou. Audrey Trova a Vladimír Karas z ASU se spolupracovníky ze Slezské univerzity v Opavě studovali fyzikální vlastnosti akrečních disků obsahujících elektricky nabité částice.

Autoři nové práce se zaměřili na černé díry vnořené do velkorozměrového magnetického pole. Nově pak zahrnuli též vliv vlastní gravitace akrečního disku. Právě vzájemná souhra elektromagnetické a gravitační interakce má být tím chybějícím článkem důležitým pro kompletní popis pozorovaných akrečních útvarů.

Nutno podotknout, že v běžných laboratorních podmínkách jsou elektromagnetické efekty většinou mnohem výraznější než působení gravitace. Ta je na zemském povrchu nebo v nám blízké oblasti Sluneční soustavy zpravidla poměrně slabá. Autoři práce přijaté k publikaci v americkém časopise The Astrophysical Journal (Supplement Series) si kladou za cíl odpovědět na otázku, jak spolu soupeří gravitační a elektromagnetické vlivy v kosmickém prostředí, kde se obě interakce známé z klasické fyziky navzájem vyrovnávají a přitom v absolutní hodnotě dosahují obrovských intenzit.

Teoretické studium rovnovážných stavů toroidálních struktur představuje důležitou disciplínu pro vysvětlení reálných kosmických objektů. Nacházíme je v okolí zmiňovaných supermasivních černých děr, ale též v blízkosti neutronových hvězd a černých děr hvězdných hmotností, souhrnně označovaných jako kompaktní objekty. Takové systémy představují finální vývojové stádium po explozích velmi hmotných hvězd.

Jak již bylo řečeno, pohyb jednotlivých částeček akrečního disku kolem kompaktního tělesa je řízen v prvé řadě gravitací tohoto objektu. Ta je v případě těsných, vázaných orbit tak mocná, že se oběžný pohyb musí popisovat s pomocí obecné teorie relativity (rovnice klasické newtonovské mechaniky zde nedostačují). Nezanedbatelný vliv má i vzájemné gravitační působení jednotlivých částeček disku, které nabývá na důležitosti s rostoucí vzdáleností od centrálního kompaktního objektu – takové systémy označujeme jako samogravitující.

Samogravitující akreční tory pozorují astronomové spektroskopicky ve velkých počtech především v jádrech aktivních galaxií. U těch největších a poměrně blízkých dokážeme tyto toroidální útvary dokonce rozlišit a zobrazit na snímcích. Avšak již po desetiletí přetrvávají rozpaky nad tím, jak vlastně vysvětlit dlouhodobou existenci samogravitujících akrečních torů – musí v nich působit jistá poměrně účinná síla, která je udržuje po dlouho stabilní, aniž by vlivem všemocné gravitace zkolabovaly.

A. Trova, francouzská astronomka, která přišla na ASU po absolvování doktorského studia  na univerzitě v Bordeaux, a její spolupracovníci vzali v úvahu dodatečné elektromagnetické působení mezi elektricky nabitými částicemi kroužící hmoty a okolním magnetickým polem centrálního kompaktního objektu. Autoři práce si uvědomili, že ačkoli jsou kosmické objekty – hvězdy i černé díry – zpravidla elektricky neutrální, totéž nelze tak jednoznačně tvrdit o hmotě tvořící vlastní akreční disk, kde probíhá velké množství zajímavých fyzikálních procesů. Jako příklad můžeme uvést intenzivní ohřev zejména vnitřní části disku. Teploty často přesahují ionizační teplotu vodíku, který je dominantním prvkem, a tak se z neutrálního plynu stává plyn ionizovaný s velkým podílem nabitých částic. Horká látka je pak zdrojem rentgenového záření, které registrujeme přístroji v okolí Země coby svědka probíhající akrece a jež také nabíjí elektrickým nábojem prachové částice v disku přítomné.

Představovaná práce je originální ze dvou hledisek. Jednak spojuje do jednotného modelu současně vliv elektromagnetických sil a samogravitačního působení. Zároveň však autoři přistoupili k problému analyticky, tedy „s tužkou a papírem“, a povedlo se jim zkonstruovat zjednodušený model, na kterém je možné snáz vysledovat význam jednotlivých členů v matematických rovnicích.

Z této studie vyplývá, že elektromagnetická interakce poskytuje významnou podporu vertikální struktuře toru proti jeho vlastní gravitaci. Elektricky nabité a zmagnetizované disky proto mohou být geometricky tlustší, což ukazují i pozorování. Pokud se v takovém zmagnetizovaném disku objeví hmota mimo rovníkovou rovinu, může zde díky gravitačně–elektromagnetické kombinaci dlouhodobě přetrvat, zatímco bez elektromagnetického působení by ji gravitace nekompromisně zatlačila do rovníkové roviny.

Pracho-plynné disky v jádrech aktivních galaxií mají poměrně velký rozměr – dosahují až do vzdálenosti několika parseků od centra. To znamená, že efekty Einsteinovy obecné teorie relativity mají jen zanedbatelný vliv. V paralelním článku se však stejný autorský tým zabývá i útvary v blízkosti kompaktních neutronových hvězd, které jsou kompaktnější a obecnou relativitu v tomto případě rozhodně ignorovat nemůžeme. Studie Kovář a kol. (2016) vyšla tiskem také letos v létě, v tomto případě v prestižním Physical Review D. Pro úplnost je nutno zmínit, že zatímco černé díry své vlastní magnetické pole nemají (může být však indukováno okolními proudy tekoucími v jejich blízkosti), neutronové hvězdy bývají naopak zcela běžně vybaveny extrémně silným magnetickým dipólem. Magnetická indukce u povrchu neutronových hvězd dosahuje nepředstavitelných hodnot 10⁸ Tesla i více (!), takže v kombinaci s rovněž mohutným gravitačním polem se jedná o snad nejextravagantnější fyzikální laboratoře, s jakými jsme se dosud ve vesmíru setkali.

Závěrem poznamenejme, že ve výše studovaných situacích existuje i řešení s přísně rigidní rotací disku (rotuje jako tuhé těleso), což by bez elektrického náboje bylo nemožné. Autoři se netají tím, že jejich model je spíše matematicko-fyzikální „hračkou“, tedy idealizovaným modelem pro vědce vyšetřující možné konfigurace reálných systémů, které se snaží popsat co možná nejúsporněji, současně však co možná nejpřesněji. Odvozený model je zacílen na srovnání s detailnějšími modely numerickými. Studované analytické přístupy jsou totiž velmi žádané, pokud je třeba rychle se zorientovat v rozsáhlém prostoru parametrů daného fyzikálního systému. Tatáž úloha by s využitím realistických numerických modelů trvala roky, zatímco s pomocí modelu analytického můžeme mluvit o minutách. A v tom spočívá hlavní síla a význam nového postupu.

Michal Švanda

Citace práce

[1] Trova A., Karas V., Slaný P., & Kovář J., Electrically charged matter in permanent rotation around magnetized black hole: A toy model for self-gravitating fluid tori, Astrophysical Journal, Supplement Series 226 (2016) art. id. 12, preprint arXiv:1608.03427
[2] Kovář J., Slaný P., Stuchlík Z., Karas V., & Trova A., Charged perfect fluid tori in strong central gravitational and dipolar magnetic fields, Physical Review D (2016), 93, 124055

Kontakty:
Audrey Trova, PhD, audrey.trova@asu.cas.cz
prof. RNDr. Vladimír Karas, DrSc., vladimir.karas@asu.cas.cz