Výzkumy v ASU AV ČR (173): Směřujeme ke kompletnímu popisu spektra a polarizace akrečního disku kolem černých děr

Černé díry jsou nejkompaktnějšími astrofyzikálními objekty, které mohou být použity jako ideální laboratoře pro testování fyziky extrémních gravitačních polí. Černých děr je klasifikováno několik typů. Hvězdné černé díry s hmotnostmi kolem desítek Sluncí, jejichž původ je v gravitačním kolapsu velmi hmotných hvězd. Dále pak černé veledíry v centrech galaxií, jejichž hmotnosti přesahují milióny i miliardy hmot Slunce. A pak černé díry středních hmotností, o nichž toho není mnoho známo. Společným jmenovatelem těchto objektů je, že bývají obklopeny akrečními disky látky, která v těchto objektech spiráluje, je ohřívána na vysoké teploty a stává se zdrojem záření ve vysokoenergetické části elektromagnetického spektra. Přicházející elektromagnetické záření se tak stává jediným myslitelným agentem, který slouží k zisku informací o těchto exotických objektech. Tedy pokud pomineme nově otevřené okno astronomie gravitačních vln. 

V okolí černých děr se stávají důležitými efekty obecné teorie relativity, která předepisuje pohybové zákony nejen nejen pro hmotné částice, ale i pro fotony, nehmotné nositele elektromagnetického záření. Pokud fotony kupříkladu prolétají blízko černé díry, nešíří se podél přímek, ale jejich trajektorie jsou gravitací zakřiveny. Navíc má silná gravitace vliv i na kmitočet fotonů, gravitační pole „připravuje“ fotony o energii a tak se jejich frekvence snižuje – fotony podléhají gravitačnímu rudému posuvu. Silná gravitace ovlivňuje i polarizační stav fotonu. Je zřejmé, že analýza spektra a polarizace záření z černých děr a jejich okolí v sobě obsahuje informace o černé díře samotné. Není však zcela jednoduché tyto informace ze záření vytěžit, protože je tato problematika velmi složitá. 

Na cestě k odhalení se ukazuje jako výhodné studovat různé situace a jejich vliv na výsledné záření s pomocí numerického modelu. Zahrnutí všech myslitelných fyzikálních situací je nesmírně obtížné a tak různí autoři již v minulosti vyvíjeli modely s různou úrovní realističnosti. S dokonalejším modelem přišel mezinárodní tým s velmi silnou účastí odborníků z Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU v představované práci. Zabývali se modelováním hypotetického záření přicházejícího od hvězdné černé díry obklopené akrečním diskem ke vzdálenému pozorovateli. V akrečním disku uvažovali kromě standardního přenosu momentu hybnosti také realistický ionizační profil, různou optickou hloubku a různé albedo. 

Zdrojové fotony byly emitovány diskem se spektrem odpovídajícím empirickým zákonům získaným z pozorování. Autoři dále předpokládali, že emitované fotony jsou lineárně polarizovány kvůli násobnému rozptylu, ke kterému dochází na částicích v disku. Emitované fotony se pak šíří do okolního prostoru a pohybují v souladu se zákony obecné relativity. Fotony procházející v těsné černé díry jsou gravitačně ohýbány. Část z nich dospěje ke vzdálenému pozorovali, část se ale po zakřivených trajektoriích vrací zpět k povrchu disku a znovu interaguje s částicemi tvořícími disk. Působením této interakce se záření opět mění, a teprve poté se dostává ke vzdálenému pozorovateli. Výsledné záření je tedy kombinací záření přímého a odraženého. 

Výpočty byly provedeny s využitím směsice počítačových programů, jejichž autory byli převážně pracovníci ASU. Autoři aplikovali programový řetězec pro různé situace a studovali výstupní záření, které by spatřil pozorovatel v nekonečnu, pokud by měl oči citlivé na rentgenové záření. Autoři nejprve použili značná zjednodušení běžná v předchozích pracích, aby porovnali své výsledky s výsledky publikovanými v literatuře. Takovým zjednodušením je například situace, kdy se předpokládá, že dochází k odrazu 100 % záření (tedy tzv. albedo dosahuje hodnoty 100 %). Shoda s předchozími pracemi byla dobrá, což svědčí o správnosti modelu. Jakmile byly v kódu „zapnuty“ pokročilé přístupy, jako například proměnná optická hloubka nebo jiná hodnota albeda, začaly se ve výstupním záření projevovat odchylky oproti předchozím zjednodušeným přístupům. Například se ukazuje, že úroveň polarizace záření v oblasti nízkých energií může být výrazně vyšší, pokud se uváží záření přicházející z menších optických hloubek. Tento příspěvek zásadně mění očekávaný polarizační signál v případě „měkkých“ akrečních disků kolem černých děr v rozsahu energií fotonů 2‒10 keV. Pozorování v tomto oboru jsou mimo jiné cílem družicových polarimetrů jako je mise Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), která by měla startovat v příštím roce. Velké změny v profilu polarizace je možné zaznamenat i v souvislosti s použitím realistického profilu albeda. Efekt albeda obzvláště ovlivňuje určené hodnoty spinu (rychlost rotace černé díry) a orientace rotační osy, vypočtené z pozorovaného spektra. Svůj efekt má i ionizace plynu v akrečním disku.

Výsledky simulace ukazují, že zachycené rentgenové záření a jeho vlastnosti velmi silně závisí na množství fyzikálních procesů, které se uvažují v daném systému. Práce jednoznačně poukazuje na to, že měření a analýza rentgenových spekter polarizovaného záření poskytuje nezávislý a velmi citlivý prostředek pro zisk základních parametrů systémů s hvězdnou černou dírou obklopenou akrečním diskem. Výstupy numerických modelů jsou také užitečné pro stanovení nutných citlivostních parametrů uvažovaných kosmických přístrojů, které budou vypuštěny v následujících letech. 

REFERENCE

R. Taverna, W. Zhang, a kol., Towards a complete description of spectra and polarization of black hole accretion discs: albedo profiles and returning radiation, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 493 (2020) p.4960-4977, preprint arXiv:2002.11788.

KONTAKTY

Dr. Wenda Zhang, Ph. D.
wenda.zhang@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.