Úvodní strana  >  Články  >  Vzdálený vesmír  >  Výzkumy v ASU AV ČR (74): Když gravitační síla soupeří s elektromagnetickou – Elektricky nabitá látka v okolí zmagnetizované černé díry

Výzkumy v ASU AV ČR (74): Když gravitační síla soupeří s elektromagnetickou – Elektricky nabitá látka v okolí zmagnetizované černé díry

Barevně kódovaný hustotní profil samogravitujícího akrečního toru v matematickém modelu. Kombinace gravitačního a elektromagnetického působení vysvětluje značný vertikální rozměr těchto útvarů.
Autor: A. Trova a kol., ASU

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 ASÚ 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 dlouhou dobu 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 Kováře 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.

Reference

[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

Kontakt

Audrey Trova, PhD
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR
Email: audrey.trova@asu.cas.cz

prof. RNDr. Vladimír Karas, DrSc.
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR
Email: vladimir.karas@asu.cas.cz

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU AV ČR

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.



Seriál

  1. Na čem se pracuje v Ondřejově (1): Objev prvních B[e] nadobrů v Galaxii v Andromedě
  2. Na čem se pracuje v Ondřejově (2): Meteority Příbram a Neuschwanstein nedoprovázejí malá tělesa
  3. Na čem se pracuje v Ondřejově (3): Cesta k seismologii slunečních protuberancí
  4. Na čem se pracuje v Ondřejově (4): Předpověď slupky v galaxii NGC3923: cesta k ověření alternativní teorie gravitace?
  5. Na čem se pracuje v Ondřejově (5): Zašpinění bílí trpaslíci s magnetickým polem
  6. Na čem se pracuje v Ondřejově (6): Proudění plazmatu kolem slunečních skvrn
  7. Výzkumy na AsÚ AV ČR (7): SPLAT - mocný nástroj pro zobrazení a jednoduchou analýzu spekter
  8. Výzkumy na AsÚ AV ČR (8): Druhotná tvorba hvězd ve vznikajících galaxiích a hmotných hvězdokupách
  9. Výzkumy na AsÚ AV ČR (9): Hvězda v prachové obálce v okolí černé veledíry
  10. Výzkumy na AsÚ AV ČR (10): Střižné proudění ve sluneční atmosféře jako generátor elektrického pole
  11. Výzkumy na AsÚ AV ČR (11): Komplikovaná rotace planetky Apophis ovlivňuje její let Sluneční soustavou
  12. Výzkumy na AsÚ AV ČR (12): Protony slunečního větru ve vzdálenosti jedné astronomické jednotky od Slunce
  13. Výzkumy na AsÚ AV ČR (13): Chladný plyn v mezigalaktickém prostoru vytržen z galaxie ESO 137-001
  14. Výzkumy v AsÚ AV ČR (14): Bílá erupce pozorovaná spektrografem IRIS
  15. Výzkumy v AsÚ AV ČR (15): Be hvězda v těsné dvojhvězdě s horkým podtrpaslíkem
  16. Výzkumy v AsÚ AV ČR (16): Vliv rotačního směšování a metalicity na ztrátu hmoty hvězdným větrem
  17. Výzkumy v AsÚ AV ČR (17): Osiřelé penumbry jako testovací materiál pro teorii slunečních skvrn
  18. Výzkumy v AsÚ AV ČR (18): Detailní modely gravitačního pole Země
  19. Výzkumy v AsÚ AV ČR (19): Nejpřesněji určené parametry binární planetky
  20. Výzkumy v AsÚ AV ČR (20): Jasná Perseida s neobvykle vysokou počáteční výškou
  21. Výzkumy v AsÚ AV ČR (21): Prostorové mapování galaktického centra pomocí rentgenové polarimetrie
  22. Výzkumy v AsÚ AV ČR (22): Vliv atmosféry a oceánů na polohu rotační osy Země
  23. Výzkumy v AsÚ AV ČR (23): Analytický model Birkelandových proudů
  24. Výzkumy v AsÚ AV ČR (24): Ověřování zákrytového modelu proměnných aktivních galaktických jader
  25. Výzkumy v AsÚ AV ČR (25): Urychlování elektronových svazků ve slunečních erupcích
  26. Výzkumy v AsÚ AV ČR (26): Jak rotují kometární meteoroidy?
  27. Výzkumy v AsÚ AV ČR (27): Odhalovaná tajemství hvězdy se závojem
  28. Výzkumy v AsÚ AV ČR (28): Hvězdný vítr v dvojhvězdě s kompaktní složkou
  29. Výzkumy v AsÚ AV ČR (29): Rozšiřování magnetických trubic nad slunečními aktivními oblastmi
  30. Výzkumy v AsÚ AV ČR (30): Jak souvisejí astrosféry a astroohony s urychlováním částic kosmického záření?
  31. Výzkumy v AsÚ AV ČR (31): Dlouhodobé změny aktivity kataklyzmické proměnné V1223 Sgr
  32. Výzkumy v AsÚ AV ČR (32): Upřesnění základních parametrů planetky Apophis
  33. Výzkumy v AsÚ AV ČR (33): Možnosti měření magnetických polí ve sluneční chromosféře, přechodové oblasti a koróně
  34. Výzkumy v AsÚ AV ČR (34): Oblak G2 přežil průlet kolem centra Galaxie a je zřejmě mladou hvězdou
  35. Výzkumy v AsÚ AV ČR (35): Mateřské těleso meteoritu Čeljabinsk opět neznámé
  36. Výzkumy v AsÚ AV ČR (36): Nové dvojhvězdy s horkou podtrpasličí hvězdou a vlastnosti této populace hvězd
  37. Výzkumy v AsÚ AV ČR (37): Rekonstrukce vzhledu aktivního galaktického jádra
  38. Výzkumy v AsÚ AV ČR (38): Simulace chování astrofyzikálního plazmatu v extrémních podmínkách
  39. Výzkumy v AsÚ AV ČR (39): Drakonidy 2011 z letadla
  40. Výzkumy v AsÚ AV ČR (40): Kapitoly v učebnici Asteroids IV i od pracovníků AsÚ
  41. Výzkumy v AsÚ AV ČR (41): Balíček programů pro analýzu nemaxwellovských rozdělovacích funkcí částic ve sluneční atmosféře
  42. Výzkumy v AsÚ AV ČR (42): Tajemná povaha rentgenového zdroje Her X-1
  43. Výzkumy v ASU AV ČR (43): Vznik penumbry sluneční skvrny v přímém přenosu
  44. Výzkumy v ASU AV ČR (44): Rekurentní novy v galaxii M 31
  45. Výzkumy v ASU AV ČR (45): Možná naleziště ropy v Perském zálivu z gravitačních modelů
  46. Výzkumy v ASU AV ČR (46): Mohou být hvězdné pulsace zdrojem proměnnosti hvězdného větru?
  47. Výzkumy v ASU AV ČR (47): O původu meteorického roje Kvadrantid
  48. Výzkumy v ASU AV ČR (48): ALMA bude pozorovat i Slunce
  49. Výzkumy v ASU AV ČR (49): Vliv rentgenového záření na charakter hvězdných větrů v dvojhvězdách s hmotnou komponentou
  50. Výzkumy v ASU AV ČR (50): Turbulence plazmatu a kinetické nestability v expandujícím slunečním větru
  51. Výzkumy v ASU AV ČR (51): Vzhled rázové vlny hvězdy při průletu kolem centra Galaxie
  52. Výzkumy v ASU AV ČR (52): Mění srážky tvar planetek?
  53. Výzkumy v ASU AV ČR (53): Udržely póry sluneční cyklus v době Maunderova minima?
  54. Výzkumy v ASU AV ČR (54): Supererupce na hvězdě DG CVn
  55. Výzkumy v ASU AV ČR (55): Souvislost oblaků CO s obálkami HI v Mléčné dráze
  56. Výzkumy v ASU AV ČR (56): Nárůst kontinua ve slunečních erupcích – nové možnosti jejich předpovědí?
  57. Výzkumy v ASU AV ČR (57): Katalog videí dokumentujících pád bolidu Čeljabinsk
  58. Výzkumy v ASU AV ČR (58): Tisícileté cykly střední výšky světového oceánu
  59. Výzkumy v ASU AV ČR (59): Model expanze oblaků ve slunečním větru
  60. Výzkumy v ASU AV ČR (60): Detekce dopadů zemských miniměsíců
  61. Výzkumy v ASU AV ČR (61): Lze ze spektra aktivního galaktického jádra usoudit na povahu jeho zdroje?
  62. Výzkumy v ASU AV ČR (62): Lze pozorovat ohřev koróny nanoerupcemi?
  63. Výzkumy v ASU AV ČR (63): Neobvyklá rotace trpasličí galaxie je důsledkem nedávné srážky
  64. Výzkumy v ASU AV ČR (64): Přímé pozorování klouzavé rekonexe dalekohledem GREGOR
  65. Výzkumy v ASU AV ČR (65): Složky těsné vizuální dvojhvězdy 1 Del rozlišeny spektroskopicky
  66. Výzkumy v ASU AV ČR (66): Příčky v galaxiích jako důsledek vzájemného slapového působení
  67. Výzkumy v ASU AV ČR (67): Neobvyklé chemické složení zašpiněného bílého trpaslíka
  68. Výzkumy v ASU AV ČR (68): Hustota průmětů drah umělých družic Země na zemském povrchu a přesnost parametrů gravitačního pole Země
  69. Výzkumy v ASU AV ČR (69): Vlastnosti plazmatu ve slunečních protuberancích
  70. Výzkumy v ASU AV ČR (70): Útok létajících hadů - mohou vodíkové proudy fragmentovat na izolované oblaky vodíku?
  71. Výzkumy v ASU AV ČR (71): Vlastnosti satelitů planetek
  72. Výzkumy v ASU AV ČR (72): Rentgenová aktivita polaru AM Herculis
  73. Výzkumy v ASU AV ČR (73): Analýza spektra bolidu Benešov
  74. Výzkumy v ASU AV ČR (74): Když gravitační síla soupeří s elektromagnetickou – Elektricky nabitá látka v okolí zmagnetizované černé díry
  75. Výzkumy v ASU AV ČR (75): Co nám říkají erupce A hvězd o korónách G hvězd?
  76. Výzkumy v ASU AV ČR (76): Deset let optických dosvitů gama záblesků dalekohledy BOOTES
  77. Výzkumy v ASU AV ČR (77): Zdroje záření Lyman-α: Klíč k pochopení minulosti vesmíru?
  78. Výzkumy v ASU AV ČR (78): Hvězdné větry neobvyklých horkých hvězd
  79. Výzkumy v ASU AV ČR (79): Binární bílý trpaslík s magnetickou složkou
  80. Výzkumy v ASU AV ČR (80): Vznik druhé generace hvězd v hustých hvězdokupách
  81. Výzkumy v ASU AV ČR (81): Detekce sopek pod ledovým příkrovem Antarktidy
  82. Výzkumy v ASU AV ČR (82): Pozoruhodný vývoj sluneční póry
  83. Výzkumy v ASU AV ČR (83): Problémy zobrazování vícerozměrných astrofyzikálních dat
  84. Výzkumy v ASU AV ČR (84): Rumunský superbolid byl z neobvyklého materiálu
  85. Výzkumy v ASU AV ČR (85): Fragmentace plynných obálek a vznik dalších generací hvězd
  86. Výzkumy v ASU AV ČR (86): Vzplanutí typu zebra jako diagnostika vlastností plazmatu
  87. Výzkumy v ASU AV ČR (87): Zrcadlová nestabilita v turbulentním slunečním větru
  88. Výzkumy v ASU AV ČR (88): Molekulární plyn v „kometárním“ ohonu galaxie
  89. Výzkumy v ASU AV ČR (89): Jsou aktivní galaktická jádra podobná rentgentovým dvojhvězdám?
  90. Výzkumy v ASU AV ČR (90): Nové určení periody pohybu zemského pólu
  91. Výzkumy v AsÚ AV ČR (91): Prášící supernovy a přebytek infračerveného záření u mladých hvězdokup
  92. Výzkumy v ASU AV ČR (92): Mohou neutronové hvězdy za magnetismus černých veleděr?
  93. Výzkumy v ASU AV ČR (93): Videometeory jako nástroj určení orbit meteoroidů
  94. Výzkumy v ASU AV ČR (94): Kouřové kroužky ve slunečních erupcích
  95. Výzkumy v ASU AV ČR (95): Nalezneme kolem B[e] nadobra pastýřské planety?
  96. Výzkumy v ASU AV ČR (96): Prostorová rekonstrukce protuberance typu tornádo
  97. Výzkumy v ASU AV ČR (97): Globální modely hvězdného větru odhalují menší hmotnostní ztráty horkých hvězd
  98. Výzkumy v ASU AV ČR (98): Je rychlý trpaslík pozůstatkem nepovedeného výbuchu supernovy?
  99. Výzkumy v ASU AV ČR (99): Polarizace rentgenového záření umožní na dálku změřit černou veledíru


O autorovi

Michal Švanda

Michal Švanda

Doc. Mgr. Michal Švanda, Ph. D., (*1980) pochází z městečka Ždírec nad Doubravou na Českomoravské vrchovině, avšak od studií přesídlil do Prahy a jejího okolí. Vystudoval astronomii a astrofyziku na MFF UK, kde poté dokončil též doktorské studium ve stejném oboru. Zabývá se sluneční fyzikou, zejména dynamickým děním ve sluneční atmosféře, podpovrchových vrstvách a helioseismologií a aktivitou jiných hvězd. Pracuje v Astronomickém ústavu Akademie věd ČR v Ondřejově a v Astronomickém ústavu Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze, kde se v roce 2016 habilitoval. V letech 2009-2011 působil v Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung v Katlenburg-Lindau v Německu. Astronomií, zprvu pozorovatelskou, posléze spíše „barovou“, za zabývá od svých deseti let. Před začátkem pracovní kariéry působil v organizačním týmu Letní astronomické expedice na hvězdárně v Úpici, z toho dva roky na pozici hlavního vedoucího. Kromě astronomie se zajímá o letadla, zejména ta s více než jedním motorem a řadou okýnek na každé straně. Více o autorovi na jeho webových stránkách svanda.astronomie.cz.

Štítky: Černá díra, Astronomický ústav AV ČR, Plynný torus


43. vesmírný týden 2017

43. vesmírný týden 2017

Přehled událostí na obloze od 23. 10. do 29. 10. 2017. Měsíc bude v první čtvrti. Saturn je večer nízko nad jihozápadem. Téměř celou noc jsou vidět planety Neptun a Uran, ráno navíc jasná Venuše a slabší Mars. Jupiter je za Sluncem. Aktivita Slunce je nízká. Dozvěděli jsme se, že poslední zdroj gravitačních vln, zachycený společně s Virgo, byl splynutím dvou neutronových hvězd. Rampa SLC-40 na Floridě, kde došlo loni k explozi rakety Falcon 9, už brzy bude hostit další starty. Na ISS skončila série tří údržbářských výstupů do volného prostoru.

Další informace »

Česká astrofotografie měsíce

Vteřiny před a po zatmění

Velké americké zatmění. Tak jej, pro nás přeci jen trochu velikášsky, nazvali sami Američané. Na druhou stranu se jim není co divit. Pás totality, tedy oblast viditelnosti úplného zatmění, se táhla skrze celou Ameriku. Prakticky od pustého severozápadu až po zalidněný jihovýchod. Zejména

Další informace »

Poslední čtenářská fotografie

Startrails a lietadlo

20.10.2017; 21:35 LSEČ; Canon 350D+Samyang 8/3.5; 15x27s v 3s intervaloch. 1600ISO; Tesárske Mlyňany.

Další informace »