Sympozia na Galapágách se účastnil tým českých vědců vedený opavským fyzikem Pavlem Bakalou

OPAVA - Mezinárodní astronomická unie pořádala ve dnech 15 - 20. září sympozium „Extragalactic Jets from every angle“ v atraktivní lokalitě Galapážských ostrovů (Ekvádor). Vědecký program byl věnován vysokoenergetickým výtryskům vznikajícím v blízkosti supermasivních černých děr v jádrech galaxií i mikrokvasarech - v binárních hvězdných systémech s černou dírou (http://iau313ecuador.epn.edu.ec/). Účast na tomto prestižním sympoziu byla financována z projektu Ústavu fyziky Intenzifikace internacionálních, mezioborových a intersektoriálních přístupů při studiu, CZ.1.07/2.2.00/28.0271.

Tým českých vědců (Pavel Bakala, Eva Šrámková a Andrea Kotrlová) přivezl na Galapágy výsledky relativistických simulací rentgenového záření disků a toridálních struktur, které orbitují 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 vytváří kolem ní rentgenově vyzařující 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. 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 neopíší přílíš velký počet orbitálních smyček kolem černé díry.

Komplexní působení ohybu světla, časového zpoždění paprsků a frekvenčního posuvu v silné gravitaci spolu s doplerovskými efekty vysokých orbitálních rychlostí tak způsobuje zcela bizarní výslednou geometrii optického zobrazování (obr. vlevo). Pod vedením Pavla Bakaly je na Slezské univerzitě v Opavě dlouhodobě vyvíjen softwarový balík LSDcode, který umožnuje pokročilými metodami numerické relativity a relativistického raytracingu modelovat 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 (obr. vpravo).

Opavská doktorandka Kateřina Goluchová doplnila kód o numerické simulace oscilujících zářících kapalinových torů implementované na základě analytických prací Evy Šrámkové a prof. Omera Blaese (obr. dole). V okolí černých děr orbitující a oscilující tory jsou jedním z možných zdrojů velmi rychlé (až milisekundové) pozorované variability retgenového záření mikrokvazarů, takzvaných kvaziperiodických oscilací (QPOs). Teorie, často označovaná neologismem discoseizmologie, popisuje módy jednoduchých oscilací torů či disků v radiálním a vertikálním směru, ale i módy složitějších periodických deformací. Klíčové je, že frekvence jednotlivých oscilačních módů jsou velmi 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 diskových oscilacích nabízejí možnost, jak vážit černé díry v mikrokvazarech, měřit jejich spin i testovat predikce obecné relativity.