Výzkumy v ASU AV ČR (105): Polární výtrysky v okolí černých děr

V okolí mnoha astrofyzikálních objektů s kompaktním jádrem se nacházejí polární výtrysky, v nichž soustavu opouštějí vysoce urychlené částice. Obecně se soudí, že za vznikem polárních výtrysků je přítomnost akrece v okolí kompaktního objektu, kolem nějž se současně vyskytuje organizované magnetické pole. Tento schematický model zřejmě dobře popisuje bezprostřední okolí zajímavých vesmírných struktur, například těsné okolí aktivních galaktických jader. Ovšem mechanismus, jak přesně se formují polární výtrysky ve struktuře, která se vyskytuje převážně v rovníkové rovině, je doposud jistou záhadou.

Ondřej Kopáček a Vladimír Karas z ASU se možnému vysvětlení věnovali detailněji. Zkonstruovali idealizovaný model rotující magnetizované černé díry, v jejíž rovníkové rovině by se nacházel akreční disk. Pro jednoduchost uvažovali pouze situaci, kdy je osa rotace a osa magnetického pole totožná a magnetické pole je osově symetrické. Již v dřívějších pracech autoři ukázali, že i tato idealizovaná situace vykazuje při započtení relativistických efektů chaotické chování. Tedy že dráhy testovacích částic, které se v určitou chvíli nacházely v bezprostřední blízkosti a měly téměř totožný směr a velikost pohybu, se mohou v průběhu času rozběhnout do zcela odlišných oblastí a směrů.

Tentokrát pečlivě studovali vliv mnoha parametrů, zahrnujících především velikost magnetického pole, rotaci černé díry a vzdálenost od centra, na pohyb testovací částice a hledali situaci, kdy dojde k vychýlení pohybu částice mimo rovníkovou rovinu, jejímu urychlení a úniku pryč ze systému podél rotační osy (která je současně osou magnetického pole). Model spočíval v numerické integraci pohybových rovnic testovacích částic v gravitačním a elektromagnetickém poli popsaném formalismem obecné teorie relativity. Nové výsledky potvrzují ty předchozí, tedy že pohyb testovací částice se chová chaoticky a vykazuje vysokou citlivost vůči  počátečním podmínkám. 

Vznik tzv. únikových zón, tedy oblastí parametrického prostoru, z nichž pocházejí částice, které by mohly být za vznikem polárních výtrysků, jednoznačně souvisí s přítomností magnetického pole. S rostoucí indukcí magnetického pole se únikové zóny zvětšují. Autoři však podotýkají, že ani ve zkoumané idealizované situaci by testovací částice vůbec neměly opustit rovníkovou rovinu. Bylo by zapotřebí je nejprve mimo rovinu vychýlit a pak teprve studovat, zda tato výchylka narůstá nebo se naopak tlumí. V reálném systému by se takové poruchy vyskytovaly přirozeně díky interakci jednotlivých částic mezi sebou a v počítačovém modelu tyto přirozené poruchy nahradí numerické chyby vznikající při integraci pohybových rovnic. Pravděpodobnost výchylky částice do „horní“ nebo „spodní“ poloroviny je stejná, model tedy předpovídá vznik symetrických polárních výtrysků, jaké se také v okolí reálných objektů skutečně často pozorují. 

Kromě předpokladů nutných pro únik testovací částice mimo rovníkovou rovinu autoři rovněž kvantitativně zkoumali, jaké maximální urychlení je v idealizovaném akrečním systému dosažitelné. Je totiž známo, že v polárních výtryscích z aktivních galaktických jader se nacházejí částice urychlené téměř na rychlost světla. Výsledky v představované práci naznačují, že model urychlování podporuje a že lze v této konfiguraci dosáhnout urychlení elektronů až na relativistický Lorentzův faktor 6, což odpovídá přibližně 0,986 rychlosti světla. Tohoto urychlení dosáhnou částice v případě velmi silného magnetického pole, které pocházejí z nejvnitřnějších oblastí akrečního disku v okolí pomalu rotující černé díry. 

Model aktivního galaktického jádra O. Kopáčka a V. Karase tedy elegantně vysvětluje vznik polárních výtrysků. Autoři na další podporu svého modelu odhadli, zda pro známé systémy s polárními výtrysky přicházejí v úvahu hodnoty parametrů, které jsou v souladu s výsledky numerických experimentů. Tak například v jádře obří galaxie M 87, v němž se nachází černá díra s hmotností sedm miliard hmotnosti Slunce a indukce magnetického pole se odhaduje na desetitisíciny až tisíciny tesla, by do výtrysků mohly být směrovány částice s měrným nábojem tisíciny až desetiny coulombu na kilogram látky, což je rozumná hodnota pro prachová zrna nabíjená elektromagnetickým zářením. 

Model odborníků z ASU je tedy velmi přesvědčivý a především potvrzuje zásadní roli magnetického pole při vzniku polárních výtrysků z astrofyzikálních akrečních systémů.

REFERENCE

Kopáček, O. a Karas, V., Near-horizon structure of escape zones of electrically charged particles around weakly magnetized rotating black hole, Astrophysical Journal v tisku, preprint arXiv:1801.01576

KONTAKTY

Mgr. Ondřej Kopáček, Ph. D.
Email: ondrej.kopacek@asu.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

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

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