Novinky

Rozhovor: Jiří Svoboda – Záření černých děr

Správní rada Nadačního fondu Bernarda Bolzana udělila Bolzanovu cenu za fyziku za rok 2010 pracovníkovi Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR, RNDr. Jiřímu Svobodovi, Ph.D., za soubor prací „Záření akrečních disků v okolí kompaktních objektů".

Čím se ve svém výzkumu zabýváte?

Zabývám se studiem záření akrečních disků v okolí černých děr. Akreční disky vznikají z hmoty, která padá na černé díry. Černé díry samy o sobě pozorovatelné nejsou, ale právě ze záření hmoty, která dopadá na černé díry, je možné studovat jejich vlastnosti. Zabývám se zejména měřením rotace černých děr z vlastností pozorovaného záření, tedy především rentgenovou spektroskopií zdrojů, jakými jsou aktivní galaxie nebo rentgenové dvojhvězdy.

Černé díry jsou objekty, které přímo nejsou vidět a jak říkáte, pozorují se díky záření okolní hmoty. Proč ta hmota září, co ji k tomu nutí?

Je to způsobeno tím, že se hmota při oběhu kolem černé díry v akrečním disku třením zahřívá. Tento ohřev přitom může dosahovat vysokých teplot v závislosti mimo jiné na hmotnosti černé díry. Protože teploty dosahují až milionů stupňů, je toto záření vysoce energetické a pozorujeme ho v rentgenovém oboru.

Vznikají akreční disky u všech černých děr?

To záleží na tom, jestli je v okolí černé díry nějaká hmota. Příkladem mohou být černé díry, které jsou součástí dvojhvězdy jak v naší Galaxii, tak i v jiných blízkých galaxiích. Patří mezi takzvané rentgenové dvojhvězdy. Jednou složkou je běžná hvězda a z ní přetéká hmota na černou díru. Pak existují obří černé díry v centrech galaxií a i v jejich okolí musí být dostatek hmoty, aby zářila. Takovým galaxiím říkáme aktivní a pozorujeme vysokoenergetické záření pocházející z jejich středu. Ne každá galaxie je aktivní a je možné, že ta aktivita je časově omezená. Může za čas vyhasnout, když je v okolí černé díry málo hmoty.

Co je v současné době nejasného na objektech, kterými se zabýváte?

Těch nejasných věcí je celá řada, přestože je černá díra ve své podstatě velmi jednoduchý objekt charakterizovaný pouze několika málo parametry – u astrofyzikálních černých děr jsou to hmotnost a rotace. Hmotnosti černých děr jsou dnes celkem dobře prozkoumány. Rozlišujeme dva základní druhy černých děr. Jednak černé díry vzniklé z hvězd - jejich hmotnost je přibližně 10krát větší než hmotnost našeho Slunce, a pak obří černé díry s hmotnostmi řádu milionů až miliard hmotností Slunce – to jsou už zmíněné černé díry v centrech galaxií.
Hmotnosti tedy už dnes známe, ale horší je to s určením rychlosti otáčení černé díry. Otáčení černé díry má totiž vliv jen na hmotu v její těsné blízkosti. Proto se snažíme měřit centrální oblasti akrečních disků, tedy oblasti, které doslova sousedí s černou dírou. To je ale složité, protože záření je silně pohlcováno okolním plynem a také je těžké se ve spektru vyznat. Překrývá se v něm najednou tepelné záření disku a záření rozptýlené v atmosféře, jehož část se ještě odráží na disku předtím, než nakonec doputuje k pozorovateli. Je tedy poměrně složité spektra interpretovat.

Pozorovat hmotu kolem černých děr je tedy složité. Co o černých děrách vědci ještě neví?

Jedna z nejasností se týká už zmíněného otáčení černých děr. Pozorování některých zdrojů rentgenového záření naznačují, že v některých případech je rychlost rotace maximální a v jiných spíše střední. Rychlost otáčení je důležité studovat, protože nám může napovědět, jakým způsobem daná černá díra vznikla. Také může vypovídat o jejím růstu – když dopadá hmota na černou díru, může se tím její rotace zrychlovat nebo naopak zpomalovat. U černých děr, které jsou součástí dvojhvězd a vznikly tedy kolapsem hvězdy, se dá předpokládat, že rychlost rotace bude stejná, jako byla rotace hvězdy, ze které černá díra vznikla. Otázka ale je, jestli může být dodatečně urychlená materiálem dopadající hmoty. Pokud hmota dopadá v jednom směru, tak může docházet k tomu, že rotace černé díry ještě v průběhu času narůstá. Ale naopak, pokud je dopad hmoty, co se týká směru, nahodilý, může docházet i ke zpomalování rotace.
Stejně tak je zajímavé studovat, jak rotují černé díry v centrech galaxií. Dodnes není jasné, jak tam černé díry vznikly – jestli vznikly dříve než galaxie a galaxie potom na nich zkondenzovaly anebo naopak, jestli vznikly akrecí, kdy se zhustila hmota ve středu galaxie a vytvořila se černá díra. Rychlost otáčení černých děr je tedy jednou z otázek, kterými se současná rentgenová astrofyzika zabývá.