Astrofyzikální význam černých děr

V několika předchozích kapitolách jsme si vybudovali teorii černých děr, které jsou (spolu s globální strukturou a evolucí celého vesmíru) nejkrajnějším projevem vlastností gravitace. Nastal tak čas, abychom se obrátili k reálné přírodě a zeptali se: Existují ve vesmíru černé díry? A jakou roli tyto černé díry mají ve vesmíru?
Pozn.: Astrofyzikální význam na procesy probíhající ve vesmíru má jen "vnější" část černé díry nad horizontem událostí, nikoli "vnitřní" asymptoricky budoucí oblast pod horizontem (v souvislosti s dynamikou gravitačního kolapsu bylo diskutováno v §4.2, odstavec "Existují "úplné" černé díry ve vesmíru?").
Názory na úlohu černých děr ve vesmíru se v posledních desítiletích radikálně měnily. Do poloviny 60.let astronomové nebrali možnost gravitačního kolapsu (termín "černá díra" tehdy ještě neexistoval) příliš vážně - byli přesvědčeni, že všechny hvězdy během své evoluce ztratí tolik hmoty, aby se vyhnuli gravitačnímu kolapsu (proslulý anglický astronom A.S.Eddington hledal přírodní zákon či mechanismus, který by hvězdám "zabránil dělat takové hlouposti"!). Po objevu kvasarů - viz poznámku níže *) a pulsarů se toto stanovisko začalo rychle měnit. V první polovině 70.let se již černé díry staly natolik populární, že se astrofyzikové pomocí nich snažili vysvětlovat téměř všechny nové nebo dosud neobjasněné jevy - tedy nejen rentgenové zdroje, kvasary a aktivní jádra galaxií, záhadu chybějící hmoty ve spirálních galaxiích a v kupách galaxií a pod., ale i např. nedostatek slunečních neutrin, pád Tunguzského meteoritu, nebo dokonce mizení lodí v Bermudském trojúhelníku...
Později, když nastalo určité "vystřízlivění", se pravděpodobné hypothézy o úloze černých děr ve vesmíru již oddělily od hypothéz nepravděpodobných (jako jsou poslední tři zmíněné výše), které se ze stránek odborných pojednání přesunuly spíše do oblasti sci-fi literatury. Astrofyzika černých děr má nyní poměrně těsný kontakt s astronomickými pozorováními, takže černým dírám se přisuzuje stále objektivnější a adekvátnější místo a úloha ve vesmíru.

*) K v a s a r y a rádiové galaxie
V r.1960 byl pomocí radioteleskopu v Jodrell Bank pozorován zvláštní rádiový zdroj 3C48 velmi malého úhlového rozměru (menšího než 1 oblouková vteřina), který byl pomocí 5-metrového dalekohledu v Palomaru v optickém oboru ztotožněn se slabým namodralým bodovým objektem, který vypadal jako hvězda. Spektrum tohoto objektu ale bylo velmi zvláštní, jeho čáry byly zcela odlišné od záření jakékoli hvězdy. Během příštích let byla objevena řada takových zvláštních objektů "podobným hvězdám" - kvazistelárních objektů zkráceně nazvaných kvasary (anglicky quasar, quasi-stellar object).
Spektra záření kvasarů se zpočátku zdála být naprosto záhadná. Nakonec se však zjistilo, že podivná spektra těchto objektů jsou přece jen tvořena standardními spektrálními čarami vodíku, kyslíku, hořčíku, ...atd., jaké vyzařují atomy excitovaného plynu v běžných hvězdách (nebo na Zemi), které však nemají své obvyklé vlnové délky, ale jsou výrazně posunuty k červenému konci spektra (o desítky %). Podle Dopplerova jevu to znamená, že tyto objekty se od nás musí vzdalovat rychlostí blízkou rychlosti světla (u prvních pozorovaných kvasarů to činilo cca 16% - 40% c).
Tak ohromné rychlosti naznačovaly, že se nemůže jednat o hvězdy v naší Galaxii, ale že kvasary jsou objekty z dalekého vesmíru, které se od nás vzdalují v důsledku kosmologického rozpínání vesmíru. Jelikož podle Hubbleova zákona (viz §5.1) je rychlost vzdalování přímo úměrná aktuální vzdálenosti objektu, vycházela vzdálenost prvních pozorovaných kvasarů cca 2-5 miliard světelných let.
To ovšem znamená, že aby z tak ohromné vzdálenosti mohly mít kvasary jasy (svítivosti) jaké se astronomicky pozorovaly, musí mít obrovský zářivý výkon - cca 100-krát větší než nejjasnější galaxie! Dále se zjistilo, že jas kvasarů je proměnný, výrazně se mění v časových škálách zhruba 1 měsíce. To ale ukazuje, že většina světla z takového zdroje musí být vyzařována z prostoru menšího než 1 "světelný měsíc", tedy z oblasti o průměru zhruba milionkrát menší než je tomu u galaxií. Záření tedy musí přicházet z velmi hmotného kompaktního objektu z rozžhavených plynů, zahřívaných nesmírně výkonným energetickým zdrojem. Ukazuje se, že takovýmto "motorem" kvasaru je patrně obří černá díra v jádru galaxie. Jak bude diskutováno níže, černá díra se může chovat jako "stroj" přeměňující v rotujícím akrečním disku část hmoty okolního pohlcovaného plynu na teplo, které se pak přemění na záření. Takový "gravitační agregát" by mohl být vysoce účinný, podstatně účinnější než štěpný jaderný a dokonce termonukleární reaktor!
Ještě dávno předtím, vlastně již od 30.let, kdy se začalo registrovat rádiové záření z vesmíru, byly pozorovány některé objekty ve vzdáleném vesmíru vysílající radiovlny. Později, když se použitím principu rádiové interferometrie signálů z většího počtu vzdálených antén podařilo podstatně zlepšit úhlovou rozlišovací schopnost, byly objeveny tzv. rádiové galaxie - rozsáhlé oblasti ve vzdáleném vesmíru vysílající radiovlny. Nejprve se zdálo, že se jedná o srážky dvou galaxií, další pozorování však ukázala, že se jedná o jedinou galaxii, z jejíhož středu vycházejí rozsáhlá oblaka, jakési "laloky", vysílající radiovlny. Podrobný atlas takových radiačně aktivních galaxií sestavil ve 40.letech K.Seyfert a proto se galaxie s aktivními jádry někdy označují jako Seyfertovy galaxie.
V blízkosti zdrojových jader galaxií mají tato oblaka vysílající radiovlny tvar úzce kolimovaných výtrysků velmi rychlých částic, které jsou teprve ve velkých vzdálenostech brzděny v mezigalaktickém prostředí, kde končí rozsáhlými rádiovými laloky, dosahujícími do vzdáleností několika parseků až stovky kiloparseků - obr.4.29. Pozorovaná geometrie výtrysků z aktivních jader galaxií naznačuje, že svazky částic emitované z kompaktního zdroje v jádru galaxie mají velmi stabilní geometrickou osu, jejíž směr zůstával prakticky neměnný po dobu cca 10⁶-10⁸let. Zdrojem výtrysků tedy musí být velmi hmotný rotující útvar, jehož moment hybnosti svým gyroskopickým efektem zaručuje prostorově stabilní osu rotace, podél níž směřují výtrysky. Níže uvidíme, že mezi rádiově aktivními jádry galaxií a kvasary (+ blazary) je velmi těsná souvislost: společnou podstatou jsou mohutné výtrysky záření, částic a plynu z rotujících akrečních disků kolem obřích černých děr v centru galaxií, přičemž proud plynu a záření je pevně svázán s osou rotace černé díry. Jedná se o tentýž jev, pozorovaný jen z rozdílných úhlů (je diskutováno níže v pasáži "Mechanismus kvasarů a aktivních jáder galaxií").
Blazary
Speciální typy vysoce zářivých kvasarů s rychlými změnami jasnosti, které výrazně září i v ultrafialové, rentgenové či gama oblasti spektra, se nazývají blazary (blazing quasi-stellar object - planoucí, plápolající kvasar; název se odvozuje též ze spojení názvu emisních galaxií BL Lacertae a silně proměnných kvazarů). Jsou to jedny z nejenergetičtějších pozorovaných zdrojů záření ve vesmíru. Efekt blazaru je patrně způsoben pozorováním kvasaru natočeného svou rotační osou, tj. přímkou výtrysku (viz níže "Tlusté akreční disky. Kvasary."), přesně ve směru k pozorovateli, kdy se pozoruje jejjasnější vyzařování a je zde též nejlépe patrná proměnnost intenzity vyzařování.

Vznik a výskyt černých děr
I když podle současné astrofyziky by se mělo i v naší galaxii vyskytovat velké množství černých děr (a značné procento hvězd by mělo jako černé díry skončit), nebyla zatím existence černých děr bezprostředně a s úplnou jistotou prokázána. Nelze se tomu divit, protože černá díra s hmotností průměrné hvězdy je objekt s efektivními rozměry řádově kilometrů až desítek kilometrů, který sám prakticky nezáří a není tedy na velké mezihvězdné vzdálenosti pozorovatelný. Osamocenou černou díru, putující prázdným vesmírným prostorem, namáme šanci odhalit. Zjednodušeně řečeno, černé díry nikdo nikdy neviděl a ani v budoucnu neuvidí - nic z nich vidět není, je to jen bizarní prázdné a temné místo ve vesmíru... Mohli bychom uvidět nanejvýš jen "siluetu" černé díry (jejího horizontu či fotonové sféry) na pozadí jasnějších kosmických objektů, nebo projevy gravitační čočky (§4.3, pasáž "Gravitační čočky. Optika černých děr.").
Níže si však popíšeme některé jevy, kdy černou díru samotnou sice přímo nevidíme, avšak na její existenci poukazují jevy probíhající v jejím těsném okolí *) - na černou díru lze usuzovat nepřímo na základě výrazných projevů její interakce s okolní hmotou.
*) Vlastní černou díru nelze vizuálně pozorovat, jak plyne ze samotné její podstaty - přítomnosti horizontu událostí. Můžeme však pozorovat projevy působení jejího mohutného gravitačního pole na okolní hmotu, popř. na procházející světlo. Např. když hvězdy a plyn obíhají kolem nějakého masívního neviditelného objektu, je to indicie pro černou díru. A jak uvidíme níže, akreční disky kolem masívních černých děr dokonce mohou být nejintenzívnějšími zdroji záření ve vesmíru!
Nejprve si všimneme situací, za kterých lze očekávat vznik černých děr a mechanismů, jakými černé díry vznikají :

Černé díry hvězdných hmotností
V §4.2 jsme si ukázali nejjednodušší způsob vzniku černé díry: hvězda s dostatečně velkou hmotností *) po spotřebování jaderného "paliva" kolabuje téměř sféricky a pokud zbylá hmotnost je dostatečně velká, nezastaví se kolaps ve stádiu bílého trpaslíka ani neutronové hvězdy (žádná rovnovážná konfigurace pro tak velkou hmotnost neexistuje), utvoří se horizont událostí a vznikne černá díra. V §4.4 (obr.4.14) byl zmíněn poněkud složitější případ, kdy rychlá rotace vedla nejprve k fragmentaci (čímž se další kolaps na určitou dobu oddálil) a teprve po vyzáření přebytečného momentu hybnosti gravitačními vlnami se kolaps a vytvoření výsledné rotující černé díry dokončí. Takto mohou černé díry hvězdných hmotností M ~ (2÷100)M_¤ vznikat jak osamoceně, tak i ve vícenásobných hvězdných soustavách.
*) Podmínkou je, aby zbylá hmotnost po ukončení termonukleárních reakcí přesahovala ~ 2M_¤ (Oppenheimerova-Landauova mez). Podle dnešních poznatků o evoluci hvězd je k tomu třeba, aby výchozí hmotnost hvězdy přesahovala asi ~10-20 M_¤; lehčí hvězdy skončí svou existenci většinou jako neutronové hvězdy nebo bílí trpaslíci (vzhledem k velkým ztrátám hmotnosti hvězd během jejich dlouhé evoluce).
V těsné dvojhvězdné soustavě pak může černá díra vzniknout i nepřímým mechanismem tak, že z jedné složky (která je obří hvězdou) proudí vnitřním Lagrangeovým bodem (viz §1.2, obr.1.1d, pasáž "Binární systém") na druhou složku, která je bílým trpaslíkem nebo neutronovou hvězdou, značné množství látky (situace je podobná jako na obr.4.26). Za určitou dobu je pak akrecí dosaženo Oppenheimerovy-Landauovy meze, nastane úplný kolaps a vznikne černá díra. Proudící hmota je pak i nadále pohlcována touto černou dírou, kolem níž se utvoří akreční disk, viz níže.
Odhaduje se, že naše Mléčná dráha by mohla obsahovat ~ 100 milionů černých děr vzniklých na konci evoluční cesty masivních hvězd.

Středně velké a obří černé díry
Dále mohou černé díry vznikat v soustavě velkého množství hvězd - v galaktických jádrech nebo v hvězdokupách. Jestliže jsou hvězdy v takové soustavě příliš "natěsnány", bude mezi nimi docházet k nepružným interakcím a srážkám, což povede ke splývání některých hvězd do kompaktních útvarů. Mohou tak vznikat a postupně se zvětšovat velmi hmotné objekty, které se snadno mohou stát tak hustými, že zkolabují do středně velké černé díry s hmotností ~10²-10⁴M_¤ (ve hvězdokupách) nebo do obří černé díry až ~10⁹-10¹²M_¤ (v jádrech galaxií - viz níže "Mechanismus kvasarů a aktivních jáder galaxií"). Celý proces může probíhat velmi rozmanitým způsobem, např. může být kombinován s normálním kolapsem některých ze zúčastněných hvězd a následným splynutím vzniklých černých děr a podobně (možnosti vzniku supermasívních černých děr v centru galaxií jsou stručně diskutovány níže v pasáži "Jak vznikly centrální supermasívní černé díry?").
Výsledkem takových procesů může být celá škála hmotností černých děr - od desítek či stovek M_¤, přes desetitisíce či miliony M_¤, až po gigantické černé díry hmotností mnoha miliard M_¤ sídlící pravděpodobně ve středu velkých galaxií (viz níže "Tlusté akteční disky. Kvasary"). Co se týče astronomických pozorování, pro černé díry hvězdných hmotností a supermasívní černé díry v jádrech galaxií je již řada pádných indicií. Černé díry středních hmotností (~10²-10⁴ M_¤), očekávané ve hvězdokupách, dosud pozorované nebyly (určité indicie pro černou díru hmotnosti ~5-8x10³M_¤ byly pozorovány v centru kulové hvězdokupy Omega Centauri).
Černé díry v centru galaxií
V centru naší Galaxie je pozorován objekt Sagitarius A, kolem kterého obíhají hvězdy centrální hvězdokupy v Mléčné dráze a plyny tak vysokou rychlostí (blížící se c/3), že se v centru musí nacházet velmi masivní objekt o hmotnosti cca 4 miliony M_¤ - supermasívní černá díra. Takovéto černé "veledíry" se pravděpodobně vyskytují v centru všech galaxií. Uvnitř některých galaxií se možná nacházejí i dvě velké černé díry, zanesené tam v dávné minulosti při srážce a splynutí dvou galaxií (galaktický "kanibalismus"), které již předtím ve svých středech měly zformované své supermasivní černé díry; ty pak ve výsledné galaxii kolem sebe obíhají ve velkých vzdálenostech desítky či stovky světelných let.
Z astrofyzikálního hlediska lze očekávat, že v centrálních oblastech galaxií, kde v hustých plynových oblacích jsou ideální podmínky pro vznik masívních hvězd, které záhy zkolabují do černých děr, se mohou vyskytovat stovky i tisíce menších černých děr (hmotností cca desítky M_¤), z nichž některé mohou obíhat kolem centrální veledíry. A v celé Mléčné dráze se podle astrofyzikálních odhadů může vyskytovat až 100 milionů černých děr..?..
U některých hvězdokup, např. u kulové hvězdokupy NGC 6624, bylo pozorováno ostré maximum hustoty hmoty v centru a silná emise X-záření, nepřímo svědčící pro přítomnost velké černé díry. V jádrech mnohých (možná dokonce většiny) galaxií existují podmínky pro vznik obřích černých děr a pozorování aktivity galaktických jader nasvědčují tomu, že tam podobné procesy skutečně probíhají (viz níže "Mechanismus kvasarů a aktivních jáder galaxií").

Vlevo: Velké černé díry by se mohly nacházet uvnitř kulových hvězdokup.		Vpravo: Z radiačně aktivní eliptické galaxie NGC 4261 (vzdálené 45 miliónů svět.let) proudí dva mohutné výtrysky (jety).
Gigantické černé díry by se mohly nacházet v jádrech galaxií.		V jádře této aktivní galaxie nalezl Hubbleův kosmický teleskop plyno-prachový disk o průměru cca 400 svět.let, kolmý k jetům.
	K možnostem existence černých děr v centru hvězdokup a v jádrech galaxií.

Záblesky záření při vzniku černých děr
Tak vysokoenergetický a "katastrofický" jev, jako je úplný gravitační kolaps a vznik černé díry, je samozřejmě doprovázen výraznými "průvodními jevy". U masívních hvězd, které se zrodily s hmotností 20- i více krát větší než Slunce, dochází po vyčerpání termonukleárního paliva ke gravitačnímu kolapsu - výbuchu supernovy, při němž se jádro hvězdy zhroutí přímo do černé díry, bez vzniku neutronové hvězdy. U méně hmotných hvězd je produktem výbuchu supernovy neutronová hvězda, která případně až později, akrecí materiálu či splynutím s jiným kompaktním objektem v dvojhvězdném či vícenásobnému systému, může zkolabovat do černé díry. Důležitým průvodním jevem těchto procesů je náhlé uvolnění obrovského množství energie - vzniká prudce expandující "ohnivá koule" z prudce urychleného materiálu obklopujícího hvězdu. V rozpínajícím se materiálu často dochází ke vzniku rázových vln, když rychlejší uskupení naráží a předbíhá pomalejší uskupení. Obrovské množství záření a energetických částic, emitovaných ve formě mohutného záblesku při tomto výbuchu, je patrně důležitým zdrojem kosmického záření šířícího se vesmírem. V případě rychlé rotace má okolní materiál diskový tvar a vzniká většinou velmi silné magnetické pole. Expandující horký plyn je pak formován do dvojice výtrysků podél rotační osy soustavy.
Další intenzívní záření průběžně vzniká při akreci látky, jak je rozebíráno níže v části "Akreční disky kolem černých děr".

Primordiální černé díry ?
Zajímavou hypotézou jsou černé díry primordiálního původu, které se mohly ve velkém počtu utvářet z horké extrémně husté plasmy, která vyplňovala vesmír bezprostředně po velkém třesku. Mikroskopické kvantové fluktuace se při inflační expanzi zvětšují do makroskopického měřítka - vznikly tak oblasti s výrazně nižšími a vyššími hustotami hmoty a energie, z nichž pak později povstaly všechny struktury ve vesmíru (§5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír."). Ve velmi raných fázích vesmíru záhy po inflačním období mohlo být přítomno velké množství výrazných zhuštěnin, které mohly lokálně zkolabovat do černých děr. Vznikalo by tak velké množství primordiálních černých děr o nejrůznějších hmotnostech. Během prvních sekund po velkém třesku tak mohly vznikat primordiální černé díry nejrůznějších hmotností (jejich hmotnosti by byly přibližně úměrné třetí mocnině času jejich vzniku).
Tímto způsobem by mohly vzniknout primordiální černé díry jak o velkých hmotnostech - byť s menší pravděpodobností, tak i, na rozdíl od gravitačního kolapsu, o libovolně malých hmotnostech - ty by byly nejčastější. Tato hmotnost by pak rozhodovala o jejich dalším osudu. Velké primordiální černé díry se budou zvětšovat díky akreci záření a hmoty, takže v současné době by mohly dorůst do gigantických hmotností (snad až 10¹⁵M_¤), pozorovaných supermasivních černých děr ve středu galaxií (viz níže "Mechanismus kvasarů a aktivních jáder galaxií"). U velmi malých primordiálních černých děr by naopak převládla kvantová evaporace (viz §4.7 "Kvantové vyzařování a termodynamika černých děr", část "Kvantové vyzařování černých děr"); všechny primordiální černé díry s hmotností menší než asi 10¹⁵g by se již do dnešní doby musely zcela vypařit *). Konečná fáze kvantové evaporace proběhne velmi rychle, má explozivní charakter a uvolní se při ní velké množtví energie ve formě záblesku převážně tvrdého záření gama a vysokoenergetických částic. Pro existenci primordiálních černých miniděr nejsou zatím žádné přímé ani nepřímé indicie (pozorování snažící se zaregistrovat příslušné záblesky tvrdého gamma záření byly neúspěšné), takže jejich astrofyzikální význam se většinou nereflektuje.
*)Hawkingovým efektem se ve vakuu každá černá díra o hmotnosti M úplně vypaří za dobu zhruba T ~ 10⁶⁵.(M/M_¤)³ let.
Temná hmota ?
Menší a střední primordiální černé díry (~10^-18÷10^-6 M_¤), vzniklé v první sekundě po velkém třesku možná ve velkém množství, by byly dlouhodobě stabilni a vyskytovaly by se i v nynějšém vesmíru. Někdy se uvažují jako jedni z vhodných "kandidátů" na skrytou - temnou - hmotu v galaxiích a kupách galaxií (§5.6, pasáž "Budoucí vývoj vesmíru. Skrytá-temná hmota."). Toto vysvětlení by bylo docela přesvědčivé, protože by nevyžadovalo hledání neznámých částic mimo standardní model. Není známo kolik jich na počátku vesmíru vzniklo, zda jejich počet je dostatečný k vysvětlení temné hmoty. Detekovat tyto primordiální černé díry je obtížné, možná by se to mohlo podařit pomocí gravitačních mikro-čoček. Zatím není prokázán tento původ temné hmoty...
"Parazitické" černé díry uvnitř hvězd ?
Vyskytly se dokonce hypotézy (v 70.letech S.Hawking, B Carr, později E.Belinger et all, .....), že i v nitru některých hvězd by mohly sídlit "endoparazitické" primordiální černé díry, které by je zevniř "vyžíraly". Přímé zachycení a pohlcení malé černé diry již "hotovou" hvězdou je málo pravděpodobné. Vzhledem k vysoké rychlosti a velkému impaktnímu parametru by většinou proletšly kolem hvězdy bez zachycení. I ty černé díry, které by zasáhly přímo hvězdu, by většinou proletěly jejím materiálem bez výraznějšího brzdění třením nebo akrecí a vyletěly pryč; jejich rychlost je zpravidla větší než úniková. Malé primordiální černé díry by se ale mohly nacházet v oblacích plynu a prachu, z nichž hvězdy vznikaly. Kontrakcí těchto plynů by se pak již od počátku mohly tyto černé díry stát součásti některých vznikajících hvězd.
Pokud by taková vnitřní černá díra měla hmotnost menší planety, vznikl by kolem ní uprostřed hvězdy vnitřní akreční disk a tato akrece by generovala velké množství tepelné energie. Zářivou energii takové hvězdy by již nepoháněla jen jaderná fúze, ale stále více by ji vyráběla i vnitřní černá díra. Tento proces by mohl být velmi dlouhodobý (~10⁶-10⁹let), přičemž by černá díra rostla. V pozdních stádiích by to vedlo k zastavení fúzních termonukleárních reakcí v jádru hvězdy a k expanzi vnějších vrstev - ustavení hvězdy podobného vzhledu jako je červený obr, s nižší povrchovou teplotou. Tato hvězda by pak nezanikla výbuchem supernovy, ale plynulým pohlcováním - akrecí - veškerého vodíku a hélia. Na jejím místě by pak zůstala černá díra hvězdné hmotnosti. Tato hypotéza zatím nebyla potvrzena...

Virtuální černé díry ?
V rámci zkoumání možností kvantové teorie gravitace vznikla hypotéza virtuální černé díry, která existuje dočasně v důsledku kvantových fluktuací prostoročasu (o kvantových fluktuacích prostoročasu a prostoročasové pěně se zmiňujeme v §5.5 "Mikrofyzika a kosmologie. Inflační vesmír." a hlavně v §B.4 "Kvantová geometrodynamika") - spontánně vzniká a vzápětí zaniká. Virtuální černé díry by měly mít hmotnosti řádově 10^-5gramu (Planckova hmotnost) a existovaly by jen po nesmírně krátký časový okamžik řádu 10^-43sekundy (Planckův čas). Virtuální černé mikrodíry nemají žádný astrofyzikální význam; pokud by existovaly, mohly by být snad důležité v kvantové gravitaci a unitární teorii pole (§B6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny."), příp. ve fyzice elementárních částic (§1.5 "Elementární částice a urychlovače" v knize "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření")..?..

Jaké mohou být maximální a minimální velikosti černých děr ?
Černé díry jsou velmi kompaktní objekty, takže jejich prostorové velikosti (průměry horizontu) jsou ve vztahu k jejich hmotnosti mnohem menší než u ostatních objektů ve vesmíru.
Největší černé díry - gigantické "veledíry" o hmotnostech ~10⁶-10¹²M_¤ - se astronomicky pozorují v centrech velkých galaxií (možnosti jejich vzniku jsou podrobněji diskutovány níže "Mechanismus kvasarů a aktivních jáder galaxií").
Černé díry středních hmotností ~10²-10⁴M_¤ by mohly vznikat v oblastech s těsným nakupením většího počtu hvězd. Nebyly zatím pozorovány, může se zde uplatňovat i konkurenční mechanismus párové nestability na konci evoluce těžkých hvězd (Gravitace4-1.htm#ElektronPozitronNestabilita).
Minimální hmotnost černé díry vzniklé gravitačním kolapsem hvězdy, což je jediný současně známý mechanismus vzniku, je kolem ~2,5-3 hmotnosti Slunce. ......
Úplně nejmenší černá díra podle nyní známých fyzikálních zákonů by hypoteticky mohla mít Planckovu hmotnost činící asi 0,02 miligramu. Není znám žádný mechanismus, kterým by se mohla vytvořit (uvažují se někdy kvantové fluktuace prostoročasu) a Hawkingovým zářením by se okamžitě kvantově vypařila - byla by jen virtuální.

Astrofyzikální chování černých děr
Nyní přejděme k otázce astrofyzikálního chování a významu černých děr, tj. stručně si rozebereme procesy interakce černých děr s okolím v různých situacích, které se podle astrofyzikálních poznatků mohou vyskytovat. Nejjednodušším působením černé díry na okolí je obyčejná gravitační přitažlivost mezi černou dírou a okolní látkou a tělesy (hvězdami). Ve vzdálenostech podstatně větších než 2M je přitažlivé gravitační působení černé díry úplně stejné jako u obyčejné hvězdy téže hmotnosti. Kolem černé díry tedy může po téměř Keplerovských drahách obíhat planeta či jiná hvězda - černá díra může být složkou dvojhvězdy nebo vícenásobného systému. Hvězdy "stárnou" různě rychle (v závislosti hlavně na své hmotnosti), takže v dvojhvězdné soustavě může jedna složka dospět již do stádia černé díry, zatímco druhá složka může být dosud normální hvězdou. V menších vzdálenostech od černé díry se již výrazně projevují relativistické efekty: stáčení "perihelia" obíhajících těles, intenzívní vyzařování gravitačních vln, možnost pohlcení těles prolétajících dostatečně blízko kolem černé díry, efekt gravitační čočky pro světlo procházející těsně kolem černé díry, efekty strhávání těles rotací černé díry a podobně.
Co by se stalo, kdyby se Slunce proměnilo v černou díru?
Představme si ve fiktivním myšlenkovém experimentu, že by se naše Slunce bezprostředně proměnilo v černou díru - pokojně, bez erupce plynů a záření či výbuchu supernovy (podle analýzy v §4.2 víme, že nic takového není možné..!..). Tak, aby tato černá díra měla stejnou hmotnost (a příp. i rotační moment hybnosti) jako původní Slunce. Jaké důsledky by to mělo pro naši Zemi a planetární Sluneční soustavu ?
-> Především, Země i ostatní planety by pokračovaly v oběhu po přesně stejných oběžných drahách jako předtím. Gravitační přitahování nezáleží na povaze hmoty-energie. která ji způsobuje. Oběžná dráha planet se nezmění, dokud by se nezměnila hmotnost centrálního objektu, zde černé díry.
-> Obloha by byla tmavá jako v nejhlubší noci. Svítily by jen vzdálené hvězdy. Neviděli bychom Měsíc ani žádné planety, protože by zde nebylo sluneční světlo, které by se od nich mohlo odrážet.
-> Povrchy planet a jejich atmosféry by se v krátké době ochladily na teplotu cca 3 °K, v důsledku absence slunečního záření (hlubší vrstvy by si však ještě dlouhou dobu udržely nahromaděné teplo a mohly být zahřívány slapovými silami a radioaktivitou uranu, thoria a draslíku). Atmosférické plyny (na Zemi dusík a kyslík) by zmrzly a jako "sníh" spadly na povrch. Na Zemi by brzy veškerý život skončil... Všechny tyto pro nás negativní mrazivé změny by však byly prostě kvůli chybějícímu slunečnímu záření, nikoli působením černé díry !
-> V místě kde bylo Slunce bychom neviděli nic, než jen prázdnou hvězdnou oblohu. Horizont událostí černé díry sluneční hmotnosti má průměr jen asi 3 kilometry a gravitačně-optické efekty (analyzované v §4.3, pasáži "Gravitační čočky. Optika černých děr") jsou omezené na oblast cca 4-6 km. Jsou to příliš malé rozměry na to, aby je bylo možné v dané vzdálenosti vidět pouhým okem a dokonce ani běžným astronomickým dalekohledem. Přesná astronomická měření polohy hvězd by však zřetelně registrovala efekt ohybu dráhy světla gravitačním polem centrálního tělesa - černé díry.
Omezený "akční rádius" černých děr
Černé díry jsou lokálně velmi účinné "vysavače" hmoty z vesmíru - "bezedné propasti" do nichž hmota padá a nenávratně mizí z vesmíru. Mohli bychom tedy očekávat velký ničivý vliv černých děr na okolní vesmír. Není tomu ale tak: černé díry totiž mají, vzhledem ke své kompaktnosti, velmi malý gravitační "akční rádius" ve srovnání s kosmickými měřítky - většinou nepřesahuje rozměry velikosti naší Sluneční soustavy (§4.3, text kolem obr.4.7). Černá díra při svém pohybu vesmírem za sebou tedy zanechává jen velmi úzkou stopu "vyčištěnou" od hmoty. Kdybychom to porovnali s oním zmíněným vysavačem z běžného života, byl by to extrémně výkonný agregát (vakuová vývěva) s tenkou hadicí a milimetrovou hubicí, která by prach dokonale vysávala (a vytrhávala i látku koberce), avšak jen v tom milimetrovém okolí...
Ale níže uvidíme (v části "Akreční disky, kvasary,.."), že některé specifické jevy při akreci hmoty na černé díry mohou astrofyzikální "akční rádius" černých děr podstatně prodlužovat - nejedná se však o gravitační působení, ale o vysokoenergetické částice vyvrhované z akrečních disků na velké vzdálenosti do vesmíru.
Onen zpočátku velmi malý gravitační "akční rádius" černých děr se s časem zvyšuje dvěma mechanismy:
- Růst velikosti černé díry (horizontu) v důsledku akrece hmoty.
- Vyzařování gravitačních vln každým gravitačně vázaným systémem při oběhu svých částí kolem společného těžiště. Tyto gravitační vlny odnášejí kinetickou energii obíhajících těles, které se tím stále přibližují, až nakonec splynou.
K tomuto disipativnímu efektu přispívá i tření v mezihvězdném plynu, kterým se část kinetické energie oběhu mění na teplo, následně vyzařované ven elektromagnetickými vlnami, především v infračerveném oboru. Ve velmi dlouhých časových měřítcích (~10³⁵let) se tak všechny galaxie zhroutí do obřích černých děr. Pouze některé hvězdy, kterým se podaří získat větší moment hybnosti, z galaxie uniknou a stanou se osamocenými "bludnými hvězdami". Tento proces se však odehrává v natolik velkých prostoro-časových měřítcích, že se zde může výrazně uplatnit globální kosmologická metrika prostoročasu (některé možnosti jsou diskutovány v §5.6 "Budoucnost vesmíru. Šipka času. Skrytá hmota.").
Některá potenciální rizika od černých jsou diskutovány v §4.9 "Úplný gravitační kolaps - největší katastrofa v přírodě", pasáži "Může černá díra pohltit nás i celý vesmír ?".

Vyzařování gravitačních vln při interakcích s černými dírami
Jak bylo popsáno v §4.3 (pasáž "Vyzařování gravitačních vln při pohybu v poli černé díry"), těleso obíhající po "stabilní" dráze kolem černé díry bude ztrácet energii vyzařováním gravitačních vln, takže bude (zpočátku pomalu) klesat postupně dolů po spirále, až dosáhne nejnižší - nejvnitřnější stabilní orbity; potom je již rychle pohlceno černou dírou. Celkové množství energie, které je při takovém procesu vyzářeno gravitačními vlnami, se dá snadno vypočítat v případě, že hmotnost zachyceného tělesa m je mnohem menší než hmotnost M černé díry. Pokud takové těleso zpočátku obíhá na vzdálené orbitě kolem černé díry, bude množství energie vyzářené gravitačními vlnami do dosažení poslední stabilní orbity dáno vazbovou energií této mezní-nejvnitřnější stabilní orbity (předpokládáme, že veškeré brzdění je způsobeno gravitační radiací): E₁^vln = m - E_ms, což pro Schwarzschildovu černou díru činí asi 0,057m (vztah (4.21)) a pro extrémní Kerrovu černou díru činí asi 0,423m při korotujícím obíhání (§4.4, část "Pohyb částic v poli rotující černé díry"). Při vlastním pohlcení tělesa je pak vyzářen impuls gravitačního záření o energii E₂^vln @ 0,01m²/M (vztah (4.22)). Těleso padající přímo na černou díru vyzaří ve formě gravitačních vln celkem energii E^vln = E₂^vln, zatímco těleso klesající postupně po spirále vyzáří podstatně více energie: E^vln ~ E₁^vln + E₂^vln . Nejvýznamnějším gravitačně-vlnovým procesem je však vyzařování mohutných gravitačních vln při těsném obíhání v binární soustavě černých děr - je rozebíráno níže v pasáži "Binární systémy gravitačně vázaných černých děr. Srážky a splynutí černých děr.".
Destrukce a pohlcování těles černými dírami
Gravitační pole v blízkém okolí černé díry je silně nehomogenní, takže na tělesa pohybující se v blízkosti černé díry působí velké slapové síly, jež mohou značně ovlivnit vnitřní strukturu těchto těles. Hvězdy prolétající kolem černé díry mohou být slapovými silami roztrženy na části, z nichž některé jsou pohlceny černou dírou, jiné mohou být vyvrženy silami reakce v hvězdné látce. Pokud je černá díra rotující a rozpad proběhne v její ergosféře, může vyvržená část odnést i část rotační energie černé díry a získat značnou rychlost. Rozrušování hvězd slapovými silami probíhá ještě účinněji u obřích černých děr, avšak navenek se nijak neprojeví, protože proběhne již pod horizontem (kde teprve jsou dostatečné slapové síly) - §4.2, část "Vnější a vnitřní pohled na gravitační kolaps".

Akreční disky kolem černých děr
Nejvýznamnějším procesem interakce černých děr s okolím *) je však akrece (lat. accret = růst, zvětšování, přibírání), při níž černá díra svou gravitací pohlcuje okolní materiál a zvětšuje tím svoji hmotnost.
*) Naopak, nejméně významným projevem černých děr je zřejmě kvantová evaporace (podrobně rozebíraná v §4.7 "Kvantové vypařování a termodynamika černých děr", část "Kvantové vyzařování černých děr"), která je ve fyzikálně reálných situacích zcela zanedbatelná (nepřihlížíme-li k primordiálním minidírám, pro jejichž existenci zatím nic nesvědčí) a neuplatňuje se - je mnohonásobně "přebita" akrecí plynů a záření... Hypoteticky se může manifestovat až ve velmi vzdálené budoucnosti vesmíru ve scénáři "tepelné smrti vesmíru" (§5.6 "Budoucnost vesmíru. Šipka času. Temná hmota. Temná energie.").
I "osamocená" černá díra, nacházející se ve "vakuovém" mezihvězdném či mezigalaktickém prostoru, pohlcuje kosmické záření a nepatrně tím zvyšuje svou hmotnost. Tento neměřitelný jev se však nepovažuje za astrofyzikálně relevantní akreci. Skutečná akrece nastává tehdy, když se kolem černé díry nacházejí hustější oblaka plynů. Mohou to být oblaka plynů po výbuchu supernov, rozsáhlé plynoprachové oblasti ve středu galaxií (obr.4.30), přetékání plynu z hvězdy na černou díru v těsných binárních systémech (obr.4.26).
Dostatečně hustá okolní látka, především plyn, je mohutným gravitačním polem vtahován dovnitř a při svém pádu na černou díru se vlivem silného adiabatického stlačování a brzdění viskózním třením (přistupuje k tomu ještě vznik turbulencí a rázových vln) zahřívá na tak vysokou teplotu, že dochází k silné emisi nejen infračerveného a viditelného světla, ale z vnitřní části akrečního disku i rentgenového záření. Při akreci se jinak nezářící černá díra stává jasně svítícím objektem! Přesněji, zářícím objektem je pohlcovaný plyn v její blízkosti.
Základní veličinou kvantifikující akreci je akreční tok dM_A/dt, což je množství (hmotnost) plynu pohlceného za jednotku času. Energetická bilance a intenzita vyzařované radiace při akreci však výrazně závisí i na hmotnosti a momentu hybnosti černé díry a pohlcovaného plynu, jakož i na přítomnosti a intenzitě magnetického pole (bude diskutováno níže v pasážích o tenkých a tlustých akrečních discích).
Nejjednodušším typem akrece je akrece sférická, která nastává tehdy, když Schwarzschildovská černá díra je obklopena nerotujícím oblakem látky (plynu). Pokud je akreční tok dM_A/dt dostatečně vysoký, adiabatickým stlačováním a viskózní disipací se plyn v blízkosti černé díry bude zahřívat na vysokou teplotu a část energie bude vyzařována elektromagnetickými vlnami. Gravitační záření se zde neuplatní, protože nedochází ke změně kvadrupólového momentu rozložení hmoty (ten je ostatně v uvažovaném sférickém případě nulový) s časem. Při sférické akreci je účinnost přeměny hmotnosti akreujícího plynu na elektromagnetické záření poměrně malá, takže sférická akrece zřejmě nemůže být dostatečným zdrojem energie kvasarů.
Sférická akrece je jen nejjednodušším idealizovaným modelem, který se zřejmě prakticky nerealizuje. Ve skutečnosti budou mít částečky akreující hmoty vždy určitý moment hybnosti vzhledem k centru černé díry, takže látka na ni nedopadá přímo, ale nejprve kolem ní obíhá (kdyby částice látky vzájemně neinteragovaly, pohybovaly by se po kruhových drahách kolem černé díry). Zvláště v dvojhvězdných soustavách (obr.4.26) a galaktických jádrech bude mít akreující plyn značný specifický moment hybnosti - podstatně větší než odpovídá kruhovým orbitám poblíž horizontu. V takovém případě vytvoří pohlcovaný plyn kolem černé díry rotující diskovitý útvar, který se nazývá akreční disk - oblak plynu který víří a propadá se postupně do černé díry. V tomto akrečním disku plyn obíhá kolem černé díry, brzdí se viskózním třením (a magnetickým brzděním, viz níže) a po postupně klesajících kruhových - spirálních - orbitách směřuje k černé díře. Radiální rychlost poklesu částeček plynu je přitom mnohem menší než jejich oběhová rychlost. V akrečním disku se tak ustaví (na rozdíl od sférické akrece) určitá dynamická rovnováha. Postupný pád látky na kompaktní objekt vede k uvolňování značné gravitační energie, jejíž vyzařování zároveň reguluje příliv nové hmoty.

Obr.4.26. Vznik akrečního disku kolem černé díry, která je součástí těsné "dvojhvězdy". Ekvipotenciální plochy, které se dotýkají ve vnitřním Lagrangeově bodě L tvoří kritickou Rocheovu mez, což je první společná ekvipotenciála dvojhvězdné soustavy (viz §1.2, obr.1.1d, pasáž "Binární systém"). Z normální hvězdy může Lagrangeovým libračním bodem L přetékat k černé díře proud plynu, zvláště tehdy, když rozměry hvězdy se blíží Rocheově mezi. Tento plyn se dostává na téměř kruhové orbity kolem černé díry, vlivem viskózního tření ztrácí energii a postupně klesá až k černé díře.
Tento obrázek je pohledem "zhora", ve směru rotační osy akrečního disku. Pohled "z boku" je na obr.4.31.

Jestliže je černá díra rotující s nezanedbatelným momentem hybnosti J, pak vlivem efektu strhávání inerciálních soustav (§4.4, část "Vliv rotace černé díry. Ergosféra.") akreční disk poblíž černé díry bude vždy korotující a natočený do ekvatoriální roviny černé díry *); obíhající plyn i tehdy, když přichází ze směru odlišného od ekvatoriální roviny, je efektem strhávání inerciálních soustav již ve značné vzdálenosti stahován do ekvatoriální roviny rotující černé díry.
*)Rotující prostor v blízkosti černé díry strhává vnitřní části akrečního disku tak, že jsou korotující a fixované v ekvatoriální rovině, nezávisle na tom, jak byly orientovány ve vnější části disku. Konfigurace vnitřní části akrečního disku je nezávislá na dynamice plynu zachycovaného ve vnějších partiích disku.
Vnější oblasti akrečního disku, vzdálenější od černé díry, však mohou obíhat i pod jinými úhly, mimo ekvatoriální rovinu, nebo rotace plynů může dočasně probíhat i v opačném směru - srovnejme s trajektorií částice na obr.4.15c v §4.4, část "Vliv rotace černé díry". Tyto okolnosti závisí na směru odkud plyn přichází, jeho momentu hybnosti a impaktním parametru.
Ostatně, plyn pohlcovaný z obíhajícího akrečního disku (který má vždy nenulový moment hybnosti) vnáší do černé díry určitý další rotační moment hybnosti. I kdyby černá díra díra byla původně nerotující (statická Schwarzschildovská), akrece by z ní postupně udělala rotující Kerrovskou černou díru...
Ne-akreční disky temné hmoty kolem černých děr ?
Mohutné gravitační pole černých děr působí nejen na běžnou hmotu, ale i na všudypřítomnou skrytou-temnou hmotu (§5.6, část "Budoucí vývoj vesmíru. Skrytá-temná hmota."). Kolem masivních kompaktních objektů jako jsou černé díry se proto může zformovat i gravitačně vázaný disk rotující temné hmoty, avšak prakticky bez akrece. Vzhledem k absenci tření se obíhající temná hmota nemůže nijak zbavit přebytečného momentu hybnosti a nemůže proto klesat na postupně nižší orbity, aby nakonec byla pohlcena černou dírou (srov. výše "Akreční disky kolem černých děr"); bude trvale obíhat kolem. Tento fenomén lze očekávat především u supermasivních černých děr v centru galaxií, kde se předpokládá větší koncentrace temné hmoty a temně-hmotný rotující disk může být velmi masivní. I když přímo nepřispívá k akreci, může svou gravitací značně ovlivňovat strukturu a dynamiku akrečního disku z běžné hmoty.

Tenký akreční disk
Pokud celková hmotnost disku je mnohem menší než hmotnost černé díry (tj. lze zanedbat vlastní gravitaci hmoty disku) a akreční tok není příliš vysoký, bude se jednat o tenký akreční disk [193],[227], jehož tloušťka je mnohem menší než jeho průměr - obr.4.27.

Obr.4.27. Při akreci plynu se specifickým momentem hybnosti podstatně větším, než odpovídá kruhovým orbitám v blízkosti nejnižší (nejvnitřnější) stabilní kruhové orbity, pohlcovaný plyn vytvoří kolem černé díry akreční disk, který při nízkých akrečních tocích je tenký. Částečky plynu se pohybují přibližně po kruhových geodetikách, přičemž jsou viskózním třením brzděny a po spirále postupně klesají až k mezní nejnižší stabilní kruhové orbitě r=r_ms, odkud jsou pohlcovány.

Brzdění a přenos momentu hybnosti v akrečním disku
Částečky plynu se v akrečním disku pohybují přibližně po kruhových geodetických orbitách. Kdyby se pohybovaly volně bez interakcí (srážek) s okolními částicemi plynu, obíhaly by takto "věčně", k žádné akreci by nemohlo docházet. Na vnitřních drahách se však částečky plynu pohybují rychleji než na vnějších drahách (jak plyne již z klasických Keplerových zákonů; ještě větší rychlostní gradienty pak budou v relativistickém případě). Při srážkách částic na "sousedních" drahách jsou vnitřnější částice brzděny a vnější urychlovány - dochází k přenosu momentu hybnosti z vnitřní části do vnější části disku. Vnitřní částice tím klesají na oběžnou dráhu bližší ke středu, vnější stoupají na vzdálenější dráhu. Kinetická energie, kterou částečky těmito srážkami získávají, zahřívá plyn, který pak vysílá záření (bude diskutováno níže).
Viskózním třením *) o vnější vrstvy jsou tedy částečky plynu ve vnitřních vrstvách brzděny, poloměr jejich orbit se pomalu zmenšuje a hmota tak postupně klesá k černé díře. Po dosažení mezní (nejnižší, nejvnitřnější) stabilní orbity r=r_ms, která je vnitřním okrajem tenkého akrečního disku, pak plyn již rychle padá do černé díry. Pokud v akrečním disku nejsou větší nehomogenity, neuplatní se vyzařování gravitačních vln, protože (podobně jako u sférické akrece) se kvadrupólový moment s časem nemění. Při tomto procesu existuje proud momentu hybnosti z vnitřních vrstev disku do vnějších vrstev (rotace vnějších vrstev je třením urychlována), kde část hmoty se uvolňuje a odnáší přebytečný moment hybnosti. Viskózním třením se disk zahřívá (zvláště ve vnitřnějších částech na vysokou teplotu) a tato energie je elektromagnetickými vlnami vyzařována ven.
*) Diference mezi rychlostmi při oběhu na vyšších a nižších oběhových drahách vede k určitému "rychlostnímu smyku", který podle zákonitostí hydrodynamiky způsobuje turbulence v oběhovém proudění plynu. Tyto turbulence vedou k ještě prudšímu srážení značných objemů plynu, k účinnější disipaci energie a vyššímu akrečnímu toku. Astronomicky pozorované fluktuace jasu příslušných objektů naznačují, že turbulence v akrečních discích skutečně probíhají.
Magnetický přenos momentu hybnosti
Smykové tření v řídkém plynu je poměrně slabé a nemusí být dostačující k potřebnému mechanickému přenosu oběžného momentu hybnosti zevnitř akrečního disku směrem k okrajovým částem (toto tření je však pravděpodobně postačující k zahřívání vnitřních hustých a rychlých oblastí akrečního disku na vysoké teploty, jak je diskutováno níže). Pokud je však akreující plyn částečně ionizovaný (což se obecně očekává), může zde působit silné magnetické pole. Vnitřní rychle rotující části akrečného disku zde fungují jako "motor" generující točivé magnetické pole, které pak elektromagneticky roztáčí vnější části akrečního disku *). A rotace vnitřní části disku se tím přiměřeně brzdí. Přenos momentu hybnosti z vnitřní části do vnější části akrečního disku tak může účinně probíhat i bez přímého mechanického kontaktu mezi těmito oblastmi.
*) Je to trochu podobné vnější cívce napájené střídavým proudem, vytvářející rotující magnetické pole, které přes vakuum elektromagneticky roztáčí anodu rentgenky bez mechanického kontaktu s ní (pasáž "Rentgenky" obr.3.2.3 v §3.2 v monografii "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření").
Uvolňování energie v akrečním disku
Za okolností běžných v našich pozemských podmínkách není tření zrovna výkonným zdrojem tepla (zkusme např. rozdělat oheň třením dřívek...). V akrečním disku však dochází k účinnému vysokorychlostnímu "tření" (srážení) částic plynu urychlených obrovskou gravitační energií, podstatně větší než je energie jaderná. Proto se třením disk účinně zahřívá natolik, že se může rozzářit více než celá galaxie, jak bude ukázáno níže v části o kvasarech.
Pozn.: Akreční disky se mohou utvořit i kolem neutronových hvězd nebo bílých trpaslílků, avšak jejich energetická účinnost je podstatně nižší než u černých děr (specifická vazbová energie orbit částic u povrchu takových hvězd je poměrně malá).
V rovnovážném stavu je celkový vyzářený výkon roven množství energie, které za jednotku času vnitřním třením vygenerují všechny částečky v disku. Každá částečka plynu o hmotnosti dM při průchodu celým diskem ze své původně velké vzdálenosti (v níž můžeme gravitační vazbovou energii zanedbat) po spirálové dráze k mezní - poslední, nejvnitřnější - stabilní orbitě r=r_ms (obr.4.27) odevzdá disku viskózním třením energii rovnou své vazbové energii na této mezní stabilní orbitě. Celkový výkon vyzařovaný diskem (luminozita) je tedy roven

kde dM_A/dt je celkový akreční tok a `E_ms je specifická energie při oběžném pohybu po nejnižší-nejvnitřnější stabilní kruhové dráze. "Účinnost" přeměny klidové hmotnosti akreující hmoty na vyzařovanou energii je tedy dána specifickou vazbovou energií 1-`E_ms mezní, nejvnitřnější stabilní orbity. Pro Schwarzschildovu nerotující černou díru je tato účinnost přibližně 5,7%, pro extrémně rotující Kerrovu černou díru však činí asi 42,3% (viz §4.4)!
Má-li černá díra původně pomalou rotaci a energetickou účinnost akrečního disku tudíž kolem 5,7%, bude tato účinnost s časem pomalu stoupat, jak je černá díra postupně "roztáčena" předávaným momentem hybnosti pohlcované hmoty *). Změna hmotnosti a momentu hybnosti černé díry, do níž hmota padá z mezní (nejvnitřnější) stabilní orbity se specifickou energií `E_ms a specifickým momentem hybnosti `L_ms danými vztahem (4.39) při r=r_ms, vede k tomu, že černá díra může být roztáčena teoreticky až na extrémní stav J = M² (mez daná 3.zákonem mechaniky černých děr, odvozeným v §4.6 "Zákony dynamiky černých děr"). Ve skutečnosti však část záření z akrečního disku je pohlcována černou dírou a toto pohlcované záření bude poněkud brzdit rotaci černé díry, protože účinný průřez záchytu fotonů pohybujících se proti směru rotace černé díry je větší než pro fotony korotující. V důsledku toho bude limitní rotace o něco pomalejší, asi J @ 0,918 M² [215], a účinnost přeměny akreující hmoty na záření disku bude limitně kolem 30%; takováto černá díra s maximálně dosažitelnou rychlostí rotace, poháněnou předávaným momentem hybnosti akrečního disku, se někdy nazývá kanonická.
*) Plyn padající po spirále do černé díry vnáší moment hybnosti a roztáčí ji na stále větší otáčky. Když tímto pohlcováním černá díra asi dvojnásobí svou hmotnost, dosáhne téměř kritické "extrémní" rychlosti rotace; pak již odstředivé síly zabrání dalšímu zrychlování rotace (§4.4, část "Pohyb částic v poli rotující černé díry"). Velké černé díry, které narostly díky akreci, by měly mít téměř maximální rychlost rotace (extrémní, přesněji "kanonickou").
Při velkých akrečních tocích a tedy velkých vyzařovacích výkonech - zvláště když se vyzařovaný výkon blíží limitní Eddingtonově liminozitě W_Ed = 4pGMc/O (»1,3.10³¹M/M_¤ [J.s^-1] (pokud je opacita O způsobena klasickým Thomsonovým rozptylem v ionizovaném plynu; bylo odvozeno v §4.1) - se ve vnitřní oblasti disku tlak záření stává dominantní nad tlakem plynu. Pro splnění podmínky mechanické rovnováhy musí tok vyzařované energie v každém místě být menší než příslušný "kritický" tok (při němž by tlak záření vyrovnal výslednici gravitačních a odstředivých sil); tento kritický tok záření je přímo úměrný celkovému gravitačnímu zrychlení v daném místě a nepřímo úměrný opacitě akreující hmoty. Pro vysoké akreční toky model tenkého akrečního disku již přestává být adekvátní, disk se zvyšováním akrečního toku začíná "tloustnout". Výrazně se zde projevují tlakové gradienty, pohyb částeček plynu již neprobíhá po téměř Keplerovských orbitách; bude se jednat o tlustý akreční disk [145],[1],[227],[37].

Tlusté akreční disky. Kvasary.
Tvar akrečního disku za této situace je schématicky znázorněn na obr.4.28. Disk zůstává tenký ve velkých vzdálenostech a též na vnitřním okraji, odkud hmota přetéká do černé díry. Vnitřní okraj disku již neleží na mezní stabilní orbitě r=r_ms, ale je posunut poněkud hlouběji; poloměr vnitřního okraje disku leží mezi mezní-nejvnitřnější stabilní kruhovou orbitou r=r_ms a mezní kruhovou orbitou r=r_f, kam je tlačen gradientem tlaku. Celkový vyzařovaný výkon je dán opět vztahem (4.66), kde však místo `E_ms vystupuje specifická energie odpovídající orbitě o poloměru vnitřního okraje disku. Čím vyšší je akreční tok dM_A/dt, tím "tlustší" je akreční disk, tím strmější jsou jeho vnitřní stěny a tím více se vnitřní okraj disku posouvá k mezní (fotonové) kruhové orbitě r=r_f. S rostoucím akrečním tokem celkový zářivý výkon disku roste, i když účinnost přeměny pohlcované hmoty na zářivou energii poněkud klesá, protože pohlcování hmoty černou dírou se děje z orbit nižších než mezní nejvnitřnější stabilní kruhová orbita (která má největší vazbovou energii, viz §4.4).

Obr.4.28. Při vysokých akrečních tocích se akreční disk kolem černé díry stává tlustým a jeho vnitřní okraj leží níže než mezní nejnižší stabilní kruhová orbita r=r_ms. Převážná část disipační energie je vyzařována vnitřními stěnami disku, které při větších tloušťkách jsou značně strmé a vytvářejí kolem černé díry "trychtýř". Vpravo dole je znázorněn směrový vyzařovací diagram tlustého akrečního disku. Naprostá většina záření je kolimována ve směru rotační osy (vychází z "trychtýře" akrečního disku).

Pro velmi velké akreční toky se utvoří značně tlusté akreční disky s vysokými a strmými vnitřními stěnami; tyto strmé stěny akrečního disku vytvářejí kolem osy rotace jakýsi dvojitý "trychtýř" v jehož středu leží černá díra (obr.4.28). Protože převážná část energie vytvářené diskem je vyzařována těmito vnitřními stěnami (na vnitřních stěnách též dochází k mnohonásobným absorbcím, rozptylům a reemisím záření), bude výsledné záření disku silně neizotropní: většina záření bude emitována "trychtýřem" v úzkých kuželech podél rotační osy. Je-li takový akreční disk pozorován ze směru málo se lišícího od směru osy rotace, může jeho zdánlivá luminozita mnohonásobně přesahovat Eddingtonovu mez (super-eddingtonovská luminozita). Kromě toho tento silný tok záření v "trychtýřích" může svým tlakem urychlovat na relativistické rychlosti částice plynu, které se tam ze stěn disku dostaly ("tryskový efekt"). Vznikají tak mohutné kosmické výtrysky (jety) - kolimované proudy ionizovaného plynu a vysokoenergetických částic, vylétajících v obou protilehlých směrech podél rotační osy akrečního disku. Interakcí vysokoenergetických částic dále může vznikat záření gama, rovněž vysílané v úzkém kuželu podél rotační osy. Směr proudů plynů a záření je tak pevně a dlouhodobě svázán s osou rotace černé díry. Ve výtryscích z černé díry by mohly fungovat urychlovací mechanismy kosmického záření. Turbulence v akrečním disku mohou vést k rázovým vlnám, v nichž vznikají podmínky pro urychlování částic i na ty nejvyšší energie. Výtrysky z nitra rotujících akrečních disků černých děr by tak mohly být (vedle supernov) významným zdrojem kosmického záření - vysokoenergetických nabitých částic, především protonů, šířících se do velkých vzdáleností ve vesmíru.
O vlastnostech kosmického záření, mechanismech vzniku, jeho šíření, možnostech detekce a vlivu na život viz §1.6 "Ionizující záření", část "Kosmické záření" knihy "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".
Dále, výtrysky z akrečních disků obřích černých děr aktivních jader galaxií interagují s mezigalaktickou hmotou, obsahující atomy vodíku, hélia, uhlíku, kyslíku atd. Kinetická energie částic výtrysku zahřívá plyn mezigalaktické hmoty a dodává aktivační energii pro řadu chemických reakcí, např. pro vznik molekul vody, oxidu uhlíku, uhlovodíků atd. Spolupůsobí tak (spolu s výrony plynů z hvězd, výbuchy supernov, s kosmickým zářením) při chemickém vývoji vesmíru.
Rychlost rotace akrečního disku a intenzita výtrysků hmoty
Intenzita výtrysků podstatně závisí na rychlosti rotace (momentu hybnosti) černé díry. Při pomalé rotaci vznikají jen slabé výtrysky, většina plynu z akrečního disku rychle pokračuje do černé díry, kde navždy zmizí. Rychle rotující černé díry však vyvrhují až 25% plynu, který do akrečního disku vstupuje.

Spektrum záření z akrečních disků
Výše bylo diskutováno, jak v akrečním disku je plyn mohutným gravitačním polem vtahován dovnitř a při svém klesání na černou díru se vlivem silného adiabatického stlačování a brzdění viskózním třením zahřívá na tak vysokou teplotu, že dochází k silné emisi nejen infračerveného a viditelného světla, ale z vnitřní části akrečního disku i rentgenového záření. Rovněž chaotické turbulence plasmatu za účasti magnetických polí silně lokálně zahřívají plasma v akrečním disku, což vede ke vzniku X-záření. Především zevnitř úzkých trychrýřů podél rotační osy je vyzařováno intenzívní záření ve formě kolimovaných výtrysků. V trychtýřích uvnitř akrečního disku vzniká též UV záření a vysokoenergetické elektrony. Při interakcích fotonů s elektrony může docházet k mnohonásobnému Comptonovu rozptylu fotonů na rychlých elektronech *), při kterých se může zvyšovat energie UV fotonů až na úroveň X-záření, jehož intenzita je tím vyšší, čím je vyzařování z akrečního disku silnější. Mohutnější akreční disky by tedy měly emitovat vyšší podíl tvrdšího fotonového záření.
*) Standardní Comptonův rozptyl fotonového záření (gama či X) v látkách probíhá na elektronech které jsou v podstatě v klidu, přičemž se energie rozptýlených fotonů snižuje (viz §1.6, pasáž "Interakce záření gama a X", odstavec "Comptonův rozptyl" v knize "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření"). Při rozptylu na rychlých elektronech se však může energie některých fotonů zvyšovat, pokud k rozptylu dochází přibližně ve směru pohybu elektronů (označuje se jako inverzní Comptonův jev).
Elektromagnetické záření emitované akrečním diskem má v zásadě spojité spektrum od radiovln, přes infračervéné, viditelné a UV záření, až po X-záření. Jednotlivé části disku mají velmi rozdílnou teplotu. V nejvnitřnějších částech, kde teplota dosahuje až 10⁶-10⁸°C, nemohou existovat žádné atomy a prudce se pohybující elektrony v plně ionizované plasmě generují brzdné X-záření o energiích jednotky až desítky keV. V poněkud vyšších vrstvách, kde je teplota nižší než cca 3000° C, již atomová jádra dokážou udržet elektrony v obalu. Tyto elektrony jsou pak excitovány primárním X-zářením z vnitřní oblasti disku a při deexcitaci emitují sekundární charakteristické X-záření s čárovým spektrem (linie K_a,b). Vlivem gravitačního a Dopplerovského frekvenčního červeného posunu však toto čára bude značně rozšířena, hlavně do oblasti s nižšími frekvencemi. Ve spektru záření galaxie MGC-6-30-15 byla opravdu pozorována taková rozšířená spektrální čára X K_a-Fe o energii 6,4 keV atomu železa.
Vyzařování z vnitřní části akrečního disku se děje především v rentgenové spektrální oblasti. Spektrometrie záření X tedy může být jednou z možností stanovení rotační rychlosti a dalších parametrů akrečního disku. Po tuto analýzu může být užitečné zejména charakteristické X-záření atomů plynu v akrečním disku. Spektrální čáry charakteristického X-záření atomů plynu z vnitřní části rotujícího akrečního disku jsou Dopplerovým jevem výrazně rozšířeny rychlým orbitálním pohybem (termální rozšíření spektrálních čar, vyvolané chaotickým pohybem jednotlivých částic plynu je v tomto případě mnohem menší než Dopplerovské rozšíření rychlým uspořádaným pohybem v akrečním disku). Kromě toho je zde základní vlastní frekvence (energie) fotonů w_o při pozorování z velké vzdálenosti (Ą) snížena gravitačním červeným posuvem vůči známé laboratorní energii. Vzdálený pozorovatel naměří sníženou hodnotu frekvence w_Ą. Efekt gravitačního frekvenčního posuvu z obecného hlediska OTR je stručně nastíněn v §2.4, pasáži "Gravitační spektrální posun". Zde záleží na tom, pod jakým úhlem je akreční disk orientován vzhledem ke vzdálenému pozorovateli :
Význačná geometrická konfigurace je "čelní" orientace akrečního disku, s osou orientovanou k pozorovateli. V takovém případě gravitační rudý posuv z místa ve vzdálenosti r v akrečním disku je w_o/w_Ą = 1/Ö(1-3M/r). Ve vnitřní části diku, na nejnižší stabilní kruhové orbitě r = r_ms~ 6M, vychází gravitační frekvenční posuv w_Ą = w_o/Ö2 = 0,7.w_o. Dopplerovský frekvenční posuv se zde neuplatňuje.
U akrečních disků nakloněných k pozorovateli "z boku" (svou "hranou") lze očekávat poněkud složitější situaci. Kromě gravitačního spektrálního posuvu se zde bude výrazně uplatňovat i Dopplerovský frekvenční posuv - faktorem [1 ± 1/Ö(r/M - 2)], kde znaménko "+" platí pro emitující atom pohybující se v akrečním disku směrem od pozorovatele a znaménko "-" odpovídá emitujícímu atomu pohybujícímu se v opačné části akrečního disku směrem k pozorovateli. Ve vnitřní části akrečního disku s r = r_ms~ 6M to odpovídá rozmezí w_Ą» (0,93¸0,47).w_o. Vzhledem k vysokým rychlostem rotace by pozorované spektrální čáry tedy měly mít rozštěpený tvar se dvěma vrcholky a poklesem uprostřed. Jeden z vrcholků vzniká v části disku, kde se plyn pohybuje směrem k pozorovateli, zatímco druhý vrcholek pochází z oblasti, kde se plyn vzdaluje od pozorovatele. Zastoupení a energetická rozteč těchto rozštěpených píků by byla závislá na sklonu rotační roviny disku vzhledem ke směru pozorovatele.
Určitá pozorovaná spektrální čára charakteristického X-záření je složená z fotonů, které pocházejí z různých oblastí akrečního disku s různým poloměrem r. Vzhledm k tomu, že hodnota gravitačního rudého posuvu závisí na vzdálenosti r emitujícího atomu od středu disku a je rozdílná pro různé geometrické orientace akrečního disku vzhledem k pozorovateli, můžeme z energií a tvaru měřených spektrálních čar charakteristického X-záření přibližně stanovit velikost akrečního disku a jeho natočení vzhledem k pozorovateli.
Astronomická rentgenová spektrometrie je teprve v začátcích. Avšak budoucí citlivé spektrometry umístěné na kosmických sondách jistě budou schopny měřit jemné detaily ve spektrech záření akrečních disků kolem černých děr (či neutronových hvězd) a stanovit tak rotační parametry akrečních disků a tím i samotných černých děr.

Elektromagnetická extrakce rotační energie černé díry
Černá díra jako taková nemá své magnetické pole (viz §4.5 "Černá díra nemá vlasy"). Avšak nabité částice, vířící v plasmě akrečního disku kolem černé díry, představují efektivní elektrický proud generující magnetické pole. Takto vznikající silné magnetické pole hraje patrně důležitou úlohu při vzniku výtrysků z akrečního disku rotující černé díry.
Jeho siločáry jsou strhávány rotací černé díry, zkroutí se do spirály a vedou k indukci intenzívních elektrických sil působících na nabité částice plasmy ve směru podél rotační osy černé díry. Urychluje tyto částice na relativistické rychlosti. Těsně svinuté magnetické pole, které ovíjí výtrysk, jej udržuje ve tvaru úzkého paprsku s malou rozbíhavostí. Takto výtrysk pokračuje setrvačností do vzdáleností stovek i tisíců světelných let - řítí se mezihvězdným prostorem mateřské galaxie, opouští jej a proniká do mezigalaktického prostoru. Teprve ve velmi velkých vzdálenostech se výtrysk zpomaluje, rozšiřuje, vzdouvá se a vytváří rozsáhlá zářící mračna vysokoenergetických částic (obr.4.29), interagujících s okolním plynem. Elektrony o rychlosti blízké rychlosti světla v ionizovaném plynu obíhají po spirálách okolo magnetických siločar a vysílají přitom elektromagnetické vlny - synchrotronové záření (mechanismus vzniku synchrotronového záření je nastíněn v §1.6, pasáž "Cyklotronové a synchrotronové záření" knihy "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření"; srov. též obr.4.3 v §4.2, část "Pulsary - rychle rotující neutronové hvězdy").
K pozorovanému mohutnému rádiovému vyzařování by mohl přispívat i mechanismus jakéhosi gigantického "maseru" - stimulovaná emise záření ve vzdálenějších atomech pod vlivem tvrdšího záření z centrálních částí disku..?..
Navíc, velmi silné magnetické pole v centrální části akrečního disku (které by mohlo dosahovat až 10¹⁰T) může rychlé nabité částice, především elektrony a pozitrony, uvádět na orbity se zápornou energií v ergosféře rotující Kerrovy černé díry, což by Penroseovým procesem mohlo vést k extrakci rotační energie černé díry - tzv. Blandfordův-Znajekův mechanismus [20], viz §4.4, část "Penroseův proces", pasáž "Elektromagnetická extrakce rotační energie - Blandfordův-Znajekův mechanismus".
Nachází-li se kolem rotující černé díry obíhající plasma z nabitých částic - akreční disk, vytváří rotačními toroidálními proudy, tekoucími v ekvatoriální rovině, silné poloidální magnetické pole. Strhávání prostoru a tím i magnetických siločar rotací černé díry pak indukuje intenzívní elektrické pole - vzniká mohutný elektrický generátor ve formě proudu nabitých částic. Z nich část se dostává na orbity se zápornou energií v ergosféře a padá do černé díry, přičemž vyextrahovaná energie posiluje elektromagnetické pole. Jiné nabité částice jsou pak elektromagneticky urychlovány extrahovanou rotační energií a tuto svou energii magnetohydrodynamickými efekty předávají plasmě ve výtryscích. Takové "gravito-magnetické dynamo", poháněné rotací černé díry, by mohlo do jetů z akrečního disku dodávat značné množství energie, přispívající k relativistickým výtryskům z nitra akrečního disku.
Rotující akreční disk kolem černé díry tedy funguje jako jakýsi rotačně-lineární "tryskový motor", přeměňující část hmoty padající do černé díry na vysokoenergetická kvanta a částice, vyzařované lineárně podél obou os černé díry. Účinnost tohoto motoru, která u rychle rotujících černých děr může dosahovat až 30% (z mc²) *), mu stávající motory tryskových letadel či raket mohou jen závidět! "Megavýtrysky" z obřích černých děr v centru galaxií, obklopených mohutnými akrečními disky, jsou těmi nejenergetičtějšími procesy, jaké ve vesmíru pozorujeme!
*) Energie výtrysků je částečně čerpána z rotační energie černé díry (§4.4, část "Penroseův proces"). Rotační energie černé díry je však průběžně doplňována akrecí korotujícího plynu, vnášejícího moment hybnosti. Akreující hmota může do rotujícího gravitačního pole v okolí černé díry uložit téměř 30% své klidové energie. A tato obrovská energie potom může být odtud čerpána prostřednictvím akrečního disku - přeměněna na kinetickou energii vysokoenergetických částic ve výtryscích. To je podstata "černoděrového motoru" napájejícího kvasary a mohutné proudy plynu v lalocích radiačně aktivních galaxií :

Mechanismus kvasarů a aktivních jader galaxií
Představa tlustého akrečního disku kolem velké černé díry (obr.4.28) tak celkem přirozeně vysvětluje nejdůležitější zvláštnosti pozorované u kvasarů a radiačně aktivních galaktických jader, tj. jejich extrémní luminozity (vysoce super-eddingtonovské) a vyvrhovaná oblaka relativistických částic ve formě mohutných výtrysků (jetů - obr.4.29).

	V rádiovém zdroji 3C449 tryskají z jádra eliptické galaxie výtrysky (jety) dlouhé cca 200000 světelných let. Galaxie je vzdálená od země cca 150 miliónů svět. let.
	V rádiovém zdroji 3C348, vzdáleném cca 1,5 miliardy svět. let, vytvářejí výtrysky strukturu dlouhou dokonce 1,5 miliónu světelných let!
Obr.4.29. Příklady radioastronomicky pozorovaných výtrysků z aktivních jader galaxií.

U kvasarů je centrální černá díra v galaxii intenzívně "krmena" okolním pohlcovaným plynem a v mohutném akrečním disku dochází k velkému tření v plynu. Velké množství tepla disk tak zahřeje a rozzáří, že svým jasem 100-x i 1000-x přezáří všechny ostatní hvězdy galaxie. Nejvnitřnější část disku je natolik žhavá, že vysílá převážně rentgenové záření, dále od centra je disk chladnější a vysílá UV záření, dále pak viditelné světlo. Ve vnějších částech je disk již poměrně chladný a vyzařuje infračervené záření. Mohutné proudy plynu, mířící z akrečního disku do mezigalaktického prostředí, vyzařují energii v oblasti radiových vln
Podrobnější výklad astrofyziky akrečních disků přesahuje rámec této knihy zaměřené na relativitu, gravitaci a prostoročas (můžeme odkázat např. na právě vyšlou přehledovou práci [37] a tam uvedenou literaturu). Značně komplikované modely akrečních disků se neustále rozvíjejí ve snaze přejít od fenomenologického charakteru k aplikaci zákonů mikrofyziky vedoucích k nalezení stavové rovnice, mechanismů viskozity, turbulencí, magnetických efektů, opacity a dalších procesů disipace a přenosu energie, spoluurčujících tvar disku a jeho dynamiku, rozložení toku záření a jeho spektra z povrchu i z nitra "trychtýře" akrečního disku.
Když to shrneme, v současné době nejrealističtějším modelem kvasaru je následující představa (obr.4.30) :
Kvasar je mimořádně aktivní jádro galaxie, které je zhroucené do obří černé díry o hmotnosti ~10⁶-10⁹ M_¤. Kolem této černé díry je z okolní hmoty (mezihvězdné látky a rozrušených hvězd) vytvořen tlustý akreční disk, v němž dochází k přeměně gravitační vazbové energie pohlcované hmoty na zářivou energii. Toto radiačně aktivní galaktické jádro může vyzařovat intenzívněji než celá galaxie, přičemž záření je silně neizotropní - směrované podél rotační osy disku - a časově proměnné (vlivem nehomogenit a turbulencí v akrečním disku). Díky ostré anizotropii záření z tlustého akrečního disku se projevuje výběrový efekt: vidíme především ty kvasary, které jsou k nám obráceny svou rotační osou (pozorovatel "A" na obr.4.30).

Obr.4.30. Z mohutného akrečního disku kolem rotující masívní černé díry v centru mladé galaxie podél rotační osy tryskají intenzívní jety relativistických částic a záření. Vzdálený pozorovatel "A", k němuž je systém nakloněn rotační osou, pozoruje jasný bodový zdroj - kvasar. Boční pozorovatel "B" pak vidí radiačně aktivní jádro galaxie s výtrysky ionizovaného plynu.
Pozn.: Na ilustračním nákresu jsou rozměry černé díry a akrečního disku vzhledem k velikosti galaxie silně zvětšeny (černá díra i akreční disk jsou vzhledem ke galaxii mnohomiliardkrát menší).

Jejich luminozita se nám pak jeví mnohonásobně větší než by odpovídalo izotropnímu vyzařování. U plasmatických oblaků vyvrhovaných z "trychtýře" akrečního disku kromě toho též přistupuje speciálně relativistický výběrový efekt spočívající v tom, že záření rychle letícího zdroje se pozorovateli jeví nasměrováno do kužele ve směru pohybu; s rychlým pohybem směrem k pozorovateli též souvisejí zdánlivě nadsvětelné rychlosti pozorované u vyvrhovaných oblaků z vnitřku kvasarů (viz níže "Nadsvětelné rychlosti výtrysků z kvasarů?"). Intenzívní tok záření zcela přezáří zbytek galaxie, který většinou není vůbec patrný, vidíme jen bodový objekt (pozorovatel "A").
Pokud akreční disk kolem obří černé díry k nám není obrácen svou rotační osou, nevidíme úzce kolimované intenzívní záření z nitra akrečního disku. V takovém případě nepozorujeme kvasar, ale vzdálenou galaxii s radiačně aktivním jádrem (jako jsou Seyfertovy či rádiové galaxie), z něhož do protilehlých stran tryskají mohutné proudy ionizovaného plynu (pozorovatel "B" na obr.4.30). Kvasary (+ blazary) a aktivní jádra galaxií představují patrně tentýž jev ve vzdáleném vesmíru - vyzařování z rotujících akrečních disků kolem obřích černých děr v centru galaxií, který je jen pozorován z jiného úhlu *), v závislosti na sklonu roviny akrečního disku vůči zornému paprsku.
*) Různé úhly pohledu: Rozdíl pozorovacího vjemu akrečního disku kolem masívní černé díry v jádru vzdálené galaxie při pozorování ve směru rotační osy a ve směru odlišném, můžeme zhruba přirovnat k nočnímu pozorování automobilu. Když automobil jede v dálce proti nám, vidíme pouze bodová jasná světla reflektorů, která přezáří slabé světlo z karoserie. Pokud však pozorujeme svítící automobil z boku (jede třebas po boční komunikaci), vidíme stopy kuželů světla ve vzduchu a okolním terénu, někdy částečně i obrysy samotného automobilu.
Podobně, pokud pozorujeme galaxii s aktivní centrální černou dírou "z boku", pod úhlem k rotační ose blízkým 90°, jeví se jako radiogalaxie s výtrysky, při úhlech kolem 60° jako Seyfertova galaxie. Při úhlech menších než 30° intenzívní záření z výtrysku přezáří obraz vzdálené galaxie a objekt se jeví jako jasný svítící bod podobný hvězdě - kvasar. Při sledování ve velmi malém úhlu téměř ve směru rotační osy vidíme nejjasnější efekt, označovaný jako blazar (zmíněný výše v pasáži "Kvasary a aktivní jádra galaxií"); je zde též nejlépe patrná proměnnost intenzity vyzařování.
Nadsvětelné rychlosti výtrysků z kvasarů ?
Pokud se ve výtrysku nachází nějaká astronomicky pozorovatelná zřetelná struktura, můžeme přesným pozorováním její polohy A, B ve dvou časech t1, t2 (s odstupem několika měsíců) stanovit rychlost pohybu této strtuktury na obloze - v zásadě změřit rychlost plynu v jetu. Podrobná měření světla (a obecně elektromagnetického záření) výtrysků z kvasarů a aktivních jader galaxií ukázala, že v řadě případů se pohyb struktur zářících plynů v jetech jeví rychlejší než světlo. Tento klamný efekt se vyskytuje tehdy, když je rychlost výtrysku blízká rychlosti světla (>0,9c) a je vysoká složka rychlosti směrem k Zemi (malý úhel jetu q cca 5°-40°). V takovém případě, jak se pozorovaná struktura v jetu pohybuje směrem k Zemi, zkracuje se vzdálenost d2 oproti d1 a tím i časové zpoždění detekce v obou polohách A, B o hodnotu (v/c).cosq. Jako kdyby sledovaná struktura vzdálenost mezi oběma místy A-->B stihla překonat dříve. To znamená, že zdánlivá pozorovaná rychlost v´ se jeví větší než skutečná rychlost v, v poměru 1/[1-(v/c).cosq].
Zdánlivě nadsvětelné rychlosti ve vnitřních částech výtrysků byly pozorovány např. u kvaserů 3C 273, 3C 279, M87, ....
Problematika astronomicky pozorovaných zdánlivě nadsvětelných rychlostí je obecně diskutována v §1.6, pasáži "Zdánlivě nadsvětelné rychlosti pohybu?", ze které zde pro názornost znovu uvádíme obrázek :

Skutečná a zdánlivá rychlost výtrysků z kvasarů.
Vlevo:
Výtrysk z akrečního disku centrální černé díry, směřující pod určitým úhlem q vzhledem k pozorovateli.
Vpravo:
Trigonometrická analýza pohybu vyšetřovaného elementu ve výtrysku a pozorovaných světelných paprsků ve dvou časech t1, t2 .

Aktivní a "vyhladovělé" kvasary
Je pravděpodobné, že velmi masívní černé díry "sídlí" v centru většiny galaxií. Avšak zdaleka ne každá taková černá díra se projeví mohutným zářením okolního plynu jako kvasar či aktivní galaktické jádro. K tomu je potřeba dostatečný přísun materiálu do akrečního disku. V mnohých případech je zřejmě "přísun krmiva" nedostatečný a černá díra je "pokojná", neaktivní. Z tohoto hlediska je příznačné, že většinu kvasarů pozorujeme ve vzdáleném vesmíru, což zároveň odpovídá vzdálené minulosti, kdy vesmír byl starý jen asi 2-4 miliardy let. V dávné minulosti obsahovaly mladé galaxie daleko více plynu a prachu než dnes, takže centrální černá díra měla dlouhodobě daleko větší přísun materiálu pro mohutný akreční disk. Po vyčerpání této zásoby plynu a prachu v centrální části galaxie akrece postupně ustávala, mohutný kvasar "vyhladověl" a pohasl; nyní jsou okolní galaxie, včetně naší, poměrně pokojné.
Takováto neaktivní černá díra, či "vyhladovělý kvasar", se však opět může na čas "probudit", pokud se do její blízkosti zatoulá nějaká hvězda nebo rozsáhlý plyno-prachový oblak, ze kterého gravitačním působením černá díra "vysaje" nový přísun materiálu. Pokud se běžná hvězda (slunečního typu) dostane do blízkosti černé díry (hmotnosti ~10^6-9 M_¤), bude roztrhána a zničena mohutnými gravitačními slapovými silami *). Při přibližování ji budou slapové síly zpočátku natahovat ve směru oběhu, při dalším přiblížení slapové síly překonají vlastní gravitaci hvězdy a roztrhají ji do tenkých obloukově zahnutých proudů plynu. Tento plyn se dostává na stále nižší oběžnou dráhu a před svým pohlcením vytváří žhavý akreční disk, z něhož je podél rotační osy emitováno intenzívní záření a energetické částice - na "chvíli" vzniká opět kvasar či aktivní galaktické jádro. Něco podobného se možná přihodilo i u naší galaxie Mléčné dráhy. Pozorované obří oblaka plynu (tzv. Fermiho bubliny) rozprostírající se na obě strany od centra galaxie mohly vzniknout tak, že před několika miliony let intenzita akrece na centrální černou díru náhle vzrostla a vzniklé energetické polární výtrysky iteragovaly s okolním řídkým plynem a vytvořily tyto bubliny.
*) Avšak malé a husté kompaktní objekty - bílí trpaslíci a neutronové hvězdy, příp. menší černé díry - jsou vůči slapovým silám mnohem odolnější, než plynné hvězdy slunečního typu, takže mohou být černou dírou pohlceny "jako celek". Slabší akreční disk by zde mohl vzniknout jen z plynů či planet, které kolem nich obíhaly.
Nejgigantičtější černé díry hmotnosti >~10¹¹ M_¤ mají gravitační gradienty (slapové síly) u svého horizontu příliš slabé na to, aby roztrhaly přicházející hvězdy a utvořily z nich akreční disk, který by byl zdrojem zářivé energie a jetů z kvasaru. Taková gigantická černá díra "polyká hvězdy vcelku", bez vzniku mohutnějšího akrečního disku a tím bez kvasarových efektů (po vyčerpání počáteční zásoby plynu ze svého okolí). Největší černé díry patrně nejsou kvasary..?.

Spektrum záření kvasarů
V pasáži o tlustých akrečních discích ("Tlusté akreční disky. Kvasary.") bylo diskutováno, jak uvnitř úzkých trychrýřů podél rotační osy je vyzařováno intenzívní záření ve formě úzkých výtrysků. V trychtýřích uvnitř tlustého akrečního disku vzniká též UV záření a vysokoenergetické elektrony. Při interakcích fotonů s elektrony může docházet k mnohonásobnému Comptonovu rozptylu fotonů na rychlých elektronech *), při kterých se může zvyšovat energie UV fotonů až na úroveň X-záření, jehož intenzita je tím vyšší, čím je vyzařování z akrečního disku mohutnější. Svítivější kvasary by tedy měly emitovat vyšší podíl tvrdšího fotonového záření.
*) Standardní Comptonův rozptyl fotonového záření (gama či X) v látkách probíhá na elektronech které jsou v podstatě v klidu, přičemž se energie rozptýlených fotonů snižuje (viz §1.6, pasáž "Interakce záření gama a X", odstavec "Comptonův rozptyl" v knize "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření"). Při rozptylu na rychlých elektronech se však může energie některých fotonů zvyšovat, pokud k rozptylu dochází přibližně ve směru pohybu elektronů (označuje se jako inverzní Comptonův jev).
Kvasary jako "standardní svíčky" v nejvzdálenějším vesmíru..?..
Kvasary jsou jedinými pozorovatelnými objekty v nejvzdálenějším vesmíru. Absolutní magnituda (skutečný zářivý výkon) kvasarů je různá, závisí na hmotnosti a rotačním momentu hybnosti černé díry a především na množství pohlcovaného plynu - akrečním toku. Jak bylo však výše ukázáno, tato absolutní magnituda souvisí se spektrem vyzařování kvasaru, především s poměrem vyzařování v ultrafialovém a rentgenovém oboru. V současné době probíhají tato spektrometrická měření u řady kvasarů různých vzdáleností, což umožní stanovit kalibrační závislost mezi spektrem a absolutní magnitudou kvasaru. Jakmile je známá skutečná svítivost, vzdálenost kvasarů může být stanovena z pozorované intenzity záření. Kvasary bude pak možno použít jako "standardní svíčky" pro měření těch největších kosmologických vzdáleností (kde může doplnit a nahradit supernovy typu Ia, viz §41.1, pasáž "Stanovení vzdálenosti vesmírných objektů").
Jak vznikly centrální supermasívní černé díry ?
Otevřenou zůstává otázka, jakým mechanismem a v jakém stádiu evoluce galaxie tyto centrální supermasívní černé díry vznikly? Co vzniklo jako první - galaxie nebo jejich centrální černé díry? Jsou v zásadě tři standardní hypotetické možnosti; čtvrtou možností je zahrnutí hypotetické temné hmoty :
1.V hustém plynu ve středu rané (proto)galaxie vznikalo mnoho hmotných hvězd *), které rychle vyčerpaly své jaderné palivo a zhroutily se (přes výbuch supernovy) do černých děr hmotností desítky až stovky M_¤ - jakési "semenné černé díry", které se staly "zárodky" pro vznik supermasivních černých děr. Tyto středně velké černé díry pak pohlcovaly okolní plyn (a příp. i hvězdy) a v hustém prostředí se jejich orbitální pohyb účinně brzdil. Proto se poměrně rychle vzájemně spojovaly, čímž vznikaly větší semenné černé díry hmotnosti cca 10 000 až 100 000 M_¤. Za několik stovek milionů let mohly narůst do supermasívních hmotností, která se dále zvětšovala akrecí. Tímto scénářem postupného slučování mnoha malých černých děr hvězdných hmotností by však pozorované supermasivní černé díry v centru galaxií mohly vzniknout až za mnoho miliard let.
*) V té době byl ve vesmíru jen vodík a hélium, hvězdy první generace měly nulovou metalicitu a mohly vznikat s hmotnostmi desítek i mnoha stovek M_¤ .
2.Velmi rozsáhlá oblaka hustého plynu (a temné hmoty..?..) v centru vznikajících galaxií mohly přímo zkolabovat do značně velkých černých děr, bez nutnosti tvorby hvězd a jejich evoluce - bez kolapsu do černých děr hvězdných hmotností. Zvláště při srážkách mohutných proudů chladného plynu mohly vznikat rozsáhlé zhuštěniny, které mohly zkolabovat do velmi masívních černých děr. Tyto "zárodečné" černé díry mohly mít hmotnosti mnoho desítek tisíc až několik milionů M_¤ a mohly být opklopeny větším počtem hvězd 1.generace - hvězdokupami. Srážkami a slučováním většího počtu těchto zárodečných černých děr mohly v kosmologicky relativně krátkém čase (několik set milionů let) vzniknout supermasivní černé díry. A navíc je zde možný scénář, že postupnou fúzí obklopujících hvězdokup mohly vzniknout i samotné galaxie s gigantickou čenou dírou se svém středu..?..
3.V hypotetickém scénaři mohly nejdříve existovat velké primordiální černé díry (jak bylo zmíněno výše v pasáži "Primordiální černé díry?"), kolem kterých se vytvářely první galaxie, uvnitř nichž se pak akrecí dále zvětšovaly a utvořily supermasívní centrální černé díry..?.. Pro tento hypotetický scénář nejsou žádné astronomické důkazy.
Mnohé pozorované kvasary jsou velmi staré, vznikly snad již po cca 200 milionech let od počátku vesmíru. S pomocí běžné pozorované látky zatím neumíme přesvědčivě vysvětlit, jak tak gigantické černé díry mohly vzniknout tak brzy po začátku éry látky..?..
4.Je ale pravděpodobné, že na gravitačním kolapsu velkých plyno-prachových oblaků a příp. spojování vzniklých zárodečných černých děr se zde výrazně podílela skrytá-temná hmota (její existence a vlastnosti jsou rozebírány v §5.6, část "Budoucí vývoj vesmíru. Skrytá-temná hmota."), jejíž přitažlivé gravitační účinky převládly nad odpudivými tlakovými silami v rozsáhlých kontrahujících plynových mračnech..?.. V období vzniku prvních galaxií a hvězd, cca 200 milionů let po vzniku vesmíru, prvotní hustá oblaka vodíku a hélia mohla obsahovat značné procento temné hmoty. Temná hmota, vzhledem k absenci tlaku, se mohla gravitačně shlukovat dříve než atomová-baryonická hmota plynů vodíku a hélia. A teprve na pozadí těchto pro nás neviditelných zhuštěnin temné hmoty kondenzovaly pozorované rozsáhlé struktury ve vesmíru..?..
Diskutuje se, že za účasti temné hmoty mohly první vznikající hvězdy 1.generace hypoteticky dosáhnout velkých hmotností až milionů M_¤. Po svém brzkém zkolabování by mohly též být zárodky pro vznik supermasivních černých děr..?..
Pozorování některých velmi vzdálených a tedy raných galaxií, vzniklých cca 500 milionů let po velkém třesku (či ještě dříve) ukazuje, že hmotnost jejich černých děr je srovnatelná s celkovou hmotností jejich hvězd. Naznačuje to, že aspoň některé obří černé díry vznikly scénářem č. 2. (resp. 4.) - přímým zkolabováním masivních oblaků plynu. A tyto galaxie pak rostly kolem těchto centrálních černých děr.
Diskuse na téma "Co vzniklo dříve: galaxie, nebo gigantické černé díry v jejich středu?" je nastíněna též v §5.4, části "Formování velkorozměrové struktury vesmíru", pasáži "Struktura a vývoj galaxií".
Výskyt velkých černých děr a jejich úloha pro galaxie
Někdy se diskutují dvě otázky :
1. "Má každá galaxie v centru velkou černou díru ?"
Předpokládá se že ano, ale u řady galaxií se astronomicky nepodařilo detekovat černou díru. Nepřímo "pozorovat" galaktickou centrální černou díru, resp. její projevy, lze za dvou příznivých situací :
-> U relativně blízkých galaxií, kde můžeme pozorovat pohyb zářicí látky v jejich centru - enormě rychlou rotaci kolem centrálního objektu, či "siluetu" černé díry.
-> U aktivních jader galaxií, které produkují silné kolimované výtrysky rychlých částic a záření z akrečních disků při pohlcování velkého množství hmoty.
V mnohých starších galaxiích však centrální černé díry již pohltily všechno ve svém okolí, nemají co "žrát" a žádný výtrysk nevzniká. V takovém případě je černá díra astronomicky prakticky nezjistitelná. Nemusí se však jednat o trvalý stav. Za dostatečně dlouhou dobu, snad tisíce či miliony let, se do těsné blízkosti černé díry může dostat nějaká hvězda nebo mlhovina, černá díra ji začne pohlcovat a vytvoří nový pozorovatelný výtrysk.
2."Má tato supermasivní černá díra rozhodující úlohu pro galaxii ?"
Zde odpověď zní ne! Alespoň nyní ne. Supermasivní černá díra v centru galaxie, jakož i další přítomné černé díry, tvoří jen nepatrný zlomek celkové hmotnosti galaxie. Přidávají jen zanedbatelné množství gravitace, nic víc. Kdybychom je všechny odstranili, téměř nic by se nezměnilo v celkové struktuře ani dynamice galaxie.
Odpověď na tyto dvě otázky evokuje další terciální otázku: "Proč se černé díry, když mají hmotnost jen malé procento celkové hmotnosti velké galaxie, obvykle nacházejí v centru galaxie?". Obecně se většina černých děr nenachází v centrálních oblastech galaxií, mnoho menších a středních černých děr je asi rozmístěno v různých místech. Supermasivní černé díry se ale v centru nacházejí, což může mít v zásadě dva alternativní důvody :
- V centrální části galaxie je největší nahromadění hvězd a mezihvězdné látky, takže jsou tam nejlepší podmínky pro vznik černých děr a jejich nárust do obřích hmotností.
- Supermasivní černé díry byly zárodky velkých spirálních galaxií. Galaxie se tedy zformovala kolem černé díry, která zůstala tam kde byla již předtím - v centrální oblasti.
Pokud se však dvě galaxie srazí, proniknou se a jejich centrální jádra budou interagovat, masivní černé díry již nemusejí zůstat v centru. V určitých případech mohou být dokonce vyvrženy pryč z výsledné sloučené galaxie..?..

Dvojhvězdné systémy s černou dírou
Vraťme se nyní k hvězdným černým dírám. Astronomická pozorování ukazují, že většina hvězd není osamocená, ale jsou součástí dvojhvězdného nebo vícenásobného systému - jsou gravitačně vázané a obíhají kolem sebe (společného těžiště) - §4.2, pasáž "Dvojhvězdy a vícenásobné systémy". Pokud dvě hvězdy v binárním systému neobíhají příliš těsně kolem sebe, vyvíjejí se samostatně, v závislosti především na své hmotnosti. V daném čase od svého společného vzniku proto mohly dospět do různých stádií své evoluce. Buď mohou být dosud běžnými hvězdami hlavní posloupnosti, nebo jedna z nich již mohla spotřebovat své termonukleární palivo a smrštit se do bílého trpaslíka či neutronové hvězdy, při velké hmotnosti případně zkolabovat do černé díry. U těsně obíhajících dvojhvězd se může výrazně uplatňovat přetékání plynů mezi oběma složkami (jak bylo diskutováno ve zmíněné pasáži "Dvojhvězdy a vícenásobné systémy"). Lze očekávat, že se ve vesmíru bude vyskytovat velké množství dvojhvězdných systémů jejichž jedna složka bude černou dírou...
U těsných binárních systémů, v nichž jedna složka je černou dírou, utvoří hmota přetékající z druhé hvězdy (která je zatím standardní hvězdou) kolem černé díry akreční disk, v němž se disipativními procesy přeměňuje vazbová gravitační energie (tedy část hmotnosti) akreující hmoty na teplo, které je diskem vyzařováno - obr.4.26 (pohled ve směru rotační osy) a obr.4.31 (boční pohled). Vnitřní části disku se zahřívají na vysokou teplotu a emitují i rentgenové záření. Vlivem nestabilit a turbulencí v akrečním disku má emitované záření nepravidelně proměnnou intenzitu.

Obr.4.31
Těsný dvojhvězdný systém, v němž k černé díře obíhající kolem společného těžište s obyčejnou hvězdou přetéká proud plynu, vytvářející kolem černé díry akreční disk. Podél rotační osy akrečního disku jsou vyzařovány úzké kužely (jety) záření a ionizovaného plynu.

Pozn.: Jedná se o identickou situaci jako na obr.4.26, ale pozorovanou "z boku", kolmo na rotační osu akrečního disku.

Nejznámějším příkladem takové soustavy je dvojhvězdný rentgenový zdroj Cygnus X-1, který se podle astronomických pozorování skládá z modré obří hvězdy HDE 226 868 o hmotnosti asi 25 M_¤ (vzdálenost od Země asi 2,5 kpc) a z opticky neviditelného "průvodce" hmotnosti nejméně ~6 M_¤ (tato hmotnost neviditelné komponenty plyne z Dopplerovsky změřené rychlosti a periody první složky). Perioda této zákrytové dvojhvězdy činí 5,6 dne. Rentgenové záření je nepravidelně proměnné s charakteristickou periodou řádu milisekund, takže rozměry emitující oblasti nejsou větší než řádově stovky kilometrů. Zdrojem rentgenového záření je právě onen neviditelný průvodce, který nemůže být hvězdou, protože při této hmotnosti by běžná hvězda měla svítivost ~10³-krát vyšší než Slunce a byla by tedy viditelná. Tato komponenta nemůže být ani bílým trpaslíkem nebo neutronovou hvězdou, protože její hmotnost značně převyšuje jak Chandrasekharovu, tak i Oppenheimerovu-Landauovu mez. S největší pravděpodobností se tedy jedná o binární soustavu normální hvězdy a černé díry podle obr.4.26 či obr.4.31, kde z hvězdy na černou díru přetékající proud hmoty vytváří akreční disk, v němž vzniká pozorované X-záření. Podobných "vážných kandidátů" na černou díru je nyní pozorováno již několik, kromě Cyg X-1 též například rentgenový zdroj Cir X-1, dvojhvězda V861 Sco, nebo objekt LMC X-3.
I u malé černé díry z akrečního disku podél rotační osy dochází k výtryskům relativistických částic do okolního prostoru (obr.4.31). Geometrickým uspořádáním a některými svými vlastnostmi tedy akreční disky kolem černých děr hvězdných hmotností připomínají mnohem mohutnější vzdálené kvasary a radiačně aktivní jádra galaxií, ovšem jakoby zmenšené do podstatně menších měřítek - poměrem řádu 10⁶; proto se těmto objektům někdy říká "mikrokvasary" (srovnejme obr.4.30 a 4.31). Typickým příkladem takového objektu pozorovaného v naší galaxii je binární zdroj SS 433 s oběžnou dobou 13 dní, jehož sekundární kompaktní složka má hmotnost min. 5-10M_¤ a vychází z ní, kromě X-záření, dva protilehlé výtrysky plynu rychlostí až 0,26c.
Výše zmíněné zdánlivě nadsvětelné rychlosti výtrysků byly registrovány i u některých mikrokvasarů, jejichž výtrysky byly nasměrovány pod malým úhlem vzhledem k pozorovateli. Prvním takovým případem byl binární objekt GRS 1915+105 se standardní hvězdou a černou dírou s aktečním diskem.
Obecně tedy černá díra, která tvoří binární soustavu s obyčejnou hvězdou, má největší naději na prokázání. V optickém oboru v této binární soustavě vidíme sice jenom hvězdu, která však vykazuje Dopplerovský spektrální posuv který se periodicky mění do červené a modré oblasti podle toho, jak se hvězda při vzájemném oběhu se svým neviditelným souputníkem přibližuje či vzdaluje pozorovateli na Zemi. Z tohoto měření periody a oběžné rychlosti viditelné složky lze astronomicky stanovit hmotnost druhé neviditelné složky; pokud se jedná o kompaktní objekt hmotnosti podstatně větší než 2M_¤ a navíc odtud přichází rentgenové záření či výtrysky relativistických částic, jedná se pravděpodobně o černou díru.

Binární systémy gravitačně vázaných černých děr. Srážky a splynutí černých děr a neutronových hvězd.
Z mechanického pohledu se černé díry v zásadě chovají jako velmi hmotná silně gravitující tělesa relativně velmi malých rozměrů, která se ve volném prostoru pohybují rovnoměrně přímočaře a v gravitačních polích jiných objektů se pohybují po zakřivených geodetických drahách. V rozlehlém kosmickém prostoru je naprosto nepatrná pravděpodobnost, že by se dvě nezávislé černé díry přímo ("čelně") srazily - asi k tomu nikde nedošlo za celou dobu existence vesmíru. Ani vzájemný gravitační záchyt dvou nezávislých prolétajících černých děr není příliš pravděpodobný (musely by se setkat s nízkou vzájemnou rychlostí a s velmi malým impaktním parametrem, viz však níže "supermasívní binární černé díry"). Jedinou reálnou možností těsné vzájemné interakce ("srážky" či splynutí) černých děr je jejich společný původ v binárním či vícenásobném hvězdném systému.
Binární systémy gravitačně vázaných černých děr (dvou či několika) jsou ve vesmíru nepochybně velmi časté, protože běžně vznikají při evoluci hvězd, které jsou součástí dvojhvězdných soustav: když v takovém binárním (či vícenásobném) systému masívních hvězd (o hmotnostech větších než asi šestinásobek Slunce) na konci jejich evoluce dojde ke gravitačnímu kolapsu za vzniku kompaktních objektů. Vzájemná gravitační vazba o oběh zůstane zachován, takže z původního dvojhvězdného systému se stává binární systém gravitačně vázaných kompaktních objektů, i nadále obíhajících kolem společného těžiště (nás zde zajímá především případ, kdy gravitačním kolapsem vznikly černé díry). Podle zákonitostí obecné teorie relativity tělesa v binárním systému při svém vzájemném obíhání vyzařují gravitační vlny, odnášející část kinetické energie oběhu - viz §2.7, část "Zdroje gravitačních vln".
Ve většině případů takto vzniklé černé díry obíhají kolem sebe ve velkých vzdálenostech. U běžných dvojhvězdných systémů činí oběžná vzdálenost minimálně 10⁶km (těsné "spektrometrické" dvojhvězdy), což je více než 100 000 gravitačních poloměrů; v těchto vzdálenostech se efekty OTR prakticky neuplatňují. Při svém oběhu vyzařují jen velmi slabé gravitační vlny (cca 10²⁵W) - počáteční část grafu na obr.4.13. Do stádia těsného oběhu by gravitačním vyzařováním nedospěly ani za celou dobu existence vesmíru! Existuje však mechanismus, který je v dohledném časovém horizontu může podstatně "sblížit": je to tření a akrece ve velkém a hustém oblaku plynu, který po kolapsu často obklopuje binární systém. Pokud se takto obě černé díry k sobě přiblíží na vzdálenost několika desítek gravitačních (Schwarzschildových) poloměrů, podstatně zesílí intenzita vyzařování gravitačních vln.
Za této situace odnášení energie oběžného pohybu intenzívními gravitačními vlnami vede ke vzájemnému přibližování obíhajících těles, zkracování oběžné periody, zvyšování rychlosti oběhu a zvyšování frekvence a intenzity gravitačních vln. Zachycuje to obr.4.13-GW :

Obr.4.13-GW. Časový průběh amplitudy, frekvence a intenzity gravitačního záření binárního systému dvou kompaktních černých děr m₁ a m₂ obíhajících kolem společného těžiště.
Tělesa, jež začnou v čase t=t₀ své obíhání na nějakém velkém poloměru r₀, velmi pomalu klesají po spirále a kontinuálně vyzařují gravitační vlny, nejprve slabé (etapa I). I u těsných binárních systémů to bývá proces trvající statisíce i miliony let. S přibližováním stále roste intenzita a frekvence vyzařování. Po dosažení vzdálenosti oběhu několika desítek gravitačních poloměrů dochází k lavinovitému růstu intenzity a frekvence gravitačních vln (etapa II). Po dosažení mezní-nejvnitřnější stabilní orbity tělesa rychle splynou, přičemž se vyšle krátký intenzívní záblesk gravitačních vln (etapa III). V horní části obrázku jsou symbolicky nakresleny zvětšené výřezy z několika posledních oběhů, během nichž dochází k deformacím obou horizontů a nakonec k jejich spojení do deformovaného horizontu výsledné černé díry. Výsledná černá díra m₁+m₂ je rotující a vyzařováním tlumených gravitačních vln rychle relaxuje na stacionární axiálně symetrickou konfiguraci Kerrovy černé díry (etapa IV).
Pozn.: Tento obrázek je analogický obr.4.13 v §4.3 pasáž "Vyzařování gravitačních vln při pohybu v poli černé díry", vztahujícímu se sice k oběhu tělesa v poli černé díry, avšak kvalitativní charakter závislosti je stejný.

Obě složky se nejdříve pomalu, ale se stále zvyšující rychlostí, po spirále blíží k sobě a stále intenzivněji gravitačně vyzařují (prostřední část grafu na obr.4.13). Na konci této lavinovité "spirály smrti", po těsném vzájemném přiblížení, při několika posledních obězích a následném splynutí obou černých děr, se vyzáří mohutný záblesk gravitačních vln. Gravitační vlny přitom odnesou cca 5% celkové hmotnosti obou slévajících se kompaktních objektů!
Když to shrneme, dynamiku obíhání binárního systému černých děr za vyzařování gravitačních vln lze rozdělit do 4 etap:
I.Vzdálené obíhání po téměř Keplerovských orbitách, se slabým gravitačním vyzařováním a velmi pomalým spirálovým přibližováním. Tato etapa může trvat i několik miliard let.
II.Po přiblížení na vzdálenost několika desítek gravitačních poloměrů intenzita gravitačního vyzařování velmi vzroste, což vede k rychlému spirálovitému přibližování obou těles, s emisí stále mohutnějších gravitačních vln s rychle stoupající frekvencí, od jednotek do několika stovek Hz.
V astrofyzikální hantýrce se tato fáze někdy nazývá "chirp" - "cvrlikání", neboť rychlý růst frekvence oběhu těsně před splynutím obou černých děr připomíná ptačí cvrliknutí.
III.Splynutí (fúze, srážka) obou černých děr v jednu výslednou rotující černou díru, za vyzáření gigantického záblesku gravitačních vln.
IV.Relaxace výsledné černé díry na stacionární axiálně symetrickou konfiguraci Kerrovy černé díry s rychlým tlumeným dozníváním gravitačního vyzařování.
Z hlediska vyzařování gravitačních vln jsou tyto procesy podrobněji rozebírány v §2.7, část "Zdroje gravitačních vln".
Složitější scénáře srážek a splynutí černých děr
Z hlediska fyziky černých děr jsme zatím předpokládali, že binární (či vícenásobná) soustava kompaktních objektů je "čistá" - neobsahuje žádný plyn ani další tělesa. Po gravitačím kolapsu vzniklé černé díry kolem sebe (kolem společného těžiště) po miliony let i nadále obíhají ve vzdálenostech několika miliónů kilometrů - jakožto binární systém kompaktních objektů. Nejprve mají kolem sebe akreční disky ze zbylých plynů z oblaku (jak bylo výše analyzováno v části "Akreční disky kolem černých děr"), avšak postupně je "spotřebují", či v závěrečných fázích rychlého oběhu odvrhnou. V takovém idealizovaném případě se chování "čisté" binární soustavy dá analyzovat výše uvedeným scénářem, při němž jsou vyzařovány pouze gravitační vlny (Obr.4.13-GW).
Při kataklyzmatických explozích supernov (a "hypernov") v závěrečných stádiích masívních hvězd je však vyvrženo obrovské množství plynů, z nichž určitá část zůstane gravitačně vázaná ve zdrojové soustavě. Binární systém zkolabovaných hvězd je tedy "ponořen" v hustém oblaku plynů, aspoň v počátečním stádiu. Pokud je binární systém dvou černých děr již zpočátku poměrně těsný, nebo tření v hustém plynovém oblaku záhy zbrzdí rotační rychlosti obou složek, bude závěrečná fáze přiblížení a splynuti kompaktních objektů probíhat nikoli ve vakuu, ale v prostředí s vysolým obsahem plynu. Mohl by tam snad vzniknout i nějaký větší a volnější "společný akreční disk" kolem těsného binárního systému..?.. Vedle mohutné emise gravitačních vln pak může při srážce-splynutí kompaktních objektů v takovém systému docházet i k interakcím částic plynu za emise fotonového záření, převážně vysoenergetického - záblesku gama paprsků.
Dalším možným scénářem je, že se jedná o vícenásobný systém dvou černých děr a navíc bílého trpaslíka či neutronové hvězdy, které mohou při své destrukci binárnímu černoděrovému systému dodávat látku (plyn), která při srážce interaguje za emise tvrdého fotonového záření..?..
Při těchto složitějších scénářích dynamiky splývání-srážky černých děr mohutná emise gravitačních vln může být doprovázena i slabší emisí záblesku fotonového záření.
Binární soustavy supermasívních černých děr
Další možností interakce a srážek kompaktních objektů by mohly být binární supermasívní černé díry v centru galaxií (velkým černým dírám v centru galaxií byla výše věnována část "Kvasary", pasáž "Mechanismus kvasarů a aktivních jáder galaxií"). Podle galaktické astrofyziky by mohly vznikat při srážkách galaxií za situace, kdy galaxie se vzájemně pronikají s malým impaktním parametrem a při nižší vzájemné rychlosti. Černé díry v centru obou galaxií pak při svém "míjení" mohou vytvořit vázanou binární soustavu. Při vzájemném obíhání, postupném přibližování a nakonec fúzi těchto obřích černých děr by vznikaly mohutné gravitační vlny nízkých frekvencí.
Srážky a splynutí neutronových hvězd
Neutronové hvězdy, vzniklé po výbuchu supernov v binárním systému, rovněž obíhají zpočátku ve velkých vzdálenostech. Jsou přitom emitovány poměrně slabé gravitační vlny odnášející kinetickou energii orbitálního pohybu (a). Neutronové hvězdy se tím k sobě po spirále pomalu přibližují, gravitační vlny sílí a zvyšuje se frekvence, při blízkém obíhání dochází k deformaci tvaru (b). Nevyhnutelně nakonec dojde k jejich "srážce" a splynutí (c) - (doba, za kterou dojde k tomuto splynutí, je dána vzorcem (2.82c) odvozeným v §2.7, část "Zdroje gravitačních vln").

Obr.4.13 -FuzeNeutronHvezd.
a) Dvě neutronové hvězdy obíhající v binárním systému ve velké vzdálenosti velmi pomalu klesají po spirále a kontinuálně vyzařují gravitační vlny, nejprve slabé. b) S přibližováním stále roste intenzita a frekvence gravitačního vyzařování. c) Při těsném přiblížení dochází k deformaci a nakonec ke srážce a splynutí obou neutronových hvězd. d) Při prudké rotaci během fúze může být vyvrženo velké množství neutronové látky, které okamžitě nukleonizuje za vzniku převážně težkých jader, s následným radioaktivním rozpadem. e) Výsleným objektem po odeznění nestabilit je buď neutronová hvězda nebo černá díra (podle zbylé hmotnosti). Tento výsledný objekt bude mít kolem sebe jen málo mohutný akreční disk (neboť většina látky byla odmrštěna pryč obrovskou energií uvolněnou při explozivní nukleonizaci).

Při rotační srážce (c) a sloučení dvou neutronových hvězd (příp. neutronové hvězdy s černou dírou) v binárním systému dochází k jejich eliptické deformaci, při níž je odstředivými silami vyvrženo velké množství neutronového materiálu (d). Jakmile se tato neutronová látka vymaní ze sevření mohutné gravitace neutronové hvězdy, stane se silně nestabilní a okamžitě exploduje - rychlá dekomprese z jaderné hustoty 10¹⁴g/cm³. Neutrony se slabou interakcí promptně přeměňují na protony : n^o® p⁺ + e^- + n (srov. "Radioaktivita beta^-" v pojednání "Radioaktivita" v monografii "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření"). V husté směsi protonů a neutronů vlivem silné interakce okamžitě dochází k "nukleonizaci" - vyvržená látka se přeměňuje na jádra těžkých prvků (způsobem podobným r-procesu při výbuchu supernovy), což je doprovázeno explozí a zábleskem gama záření. Tato těžká jádra se pak již pomaleji radioaktivně přeměňují na jádra dalších těžkých prvků a intenzívně září s delším dosvitem. Tento proces může okolní vesmír obohacovat o těžké prvky, podobně jako předchozí výbuch supernovy (kterým zúčastněné neutronové hvězdy před dlouhou dobou vznikly). Vzniklá látka (v plasmatickém skupenství) je do okolního prostoru vyvrhována především v protisměrných kuželech podél rotační osy systému.
Srážka-splynutí dvou bílých trpaslíků nebo neutronových hvězd (či neutronové hvězdy s černou dírou) je tedy vedle gravitačních vln doprovázena i výrazným optickým astronomickým efektem - emisí intenzívního záblesku energetického fotonového záření *), krátkého gama záblesku, s postupným dozníváním přes gama z radioaktivity, UV záření, viditelné světlo, až k radiovlnám.
*)Taková astronomicky pozorovaná událost se někdy nazývá "kilonova" - může být až 1000-krát silnější než běžná nova, zvláště pokud se pozoruje ze směru rotační osy binárního systému. Fúze neutronových hvězd je však úplně jiný proces, který s výbuchem novy nemá nic společného. I když je název kilonova zavádějící, v astronomické literatuře se vžil...
Jaký výsledný objekt vznikne po splynutí binárního systému neutronových hvězd (po odeznění přechodných nestabilit)? To je zřejmě závislé především na sumární hmotnosti systému. Při splynutí dvou masívních neutronových hvězd pravděpodobně zpočátku vznikne "supermasivní" neutronová hvězda, která bude nestabilní a rychle zkolabuje do černé díry. Splynutím dvou lehčích neutronových hvězd by jako výsledek měla vzniknout neutronová hvězda. Druh a hmotnost výsledného objektu též bude záviset na rotačním momentu hybnosti a množství vyvržené látky. Pro více masívní binární systémy bude docházet k rychlému kolapsu, takže se bude stačit vytvořit méně vyvržené neutronové hmoty. Pokud je výchozí hmotnost nízká, může se vytvořit výsledná dlouho přežívající nebo stabilní neutronová hvězda s větším množstvím vyvrženého materiálu, který může intenzívněji a delší dobu vyzařovat. Lze tedy očekávat zhruba inverzní vztah mezi fotonovou zářivostí (množstvím emitovaného záření při tomto procesu) a výchozí hmotností binárního systému.
Ve většině případů se očekává, že při srážce běžných neutronových hvězd dojde k explozi, kterou doprovázejí výtrysky záření na různých vlnových délkách ("kilonova"). Když se však srazí poněkud hmotnější neutronové hvězdy, mohou se téměř okamžitě zhroutit do černé díry, která rychle pozře téměř všechnu hmotu obou neutronových hvězd. Z místa srážky pak již neunikne téměř žádné záření - kilonova není pozorována...
Tento proces srážky a splynutí středně hmotných neutronových hvězd byl nedávno poprve pozorován pomocí detekce gravitačních vln a současně i vln elektromagnetických - §2.7, pasáž GW170817 . Je to "dobrá zpráva" z hlediska diverzity chemického vývoje vesmíru: pokud dochází častěji k tomuto splynutí neutronových hvězd, průběžně vzniká nezadedbatelné množství těžkých prvků. A bude vznikat až do daleké budoucnosti - i za desítky a stovky miliard let, kdy ve vesmíru již nebudou svítit žádné aktivní hvězdy ani vybuchovat supernovy (viz §5.6 "Budoucnost vesmíru"), se budou ještě stále srážet dvojice neutronových hvězd a vytvářet okrsky s horkou látkou s bohatým obsahem těžších prvků. Bude se snad mít z čeho rozvíjet život i vytvářet další složité struktury..?..
Jaké množství těžkých prvků ve vesmíru vzniká při srážkách a splynutí neutronových hvězd ?
Mechanismus nukleonizace vyvržené neutronové látky představuje "dodatečný" vznik těžších prvků z látky, která by jinak pro chemický vývoj vesmíru byla ztracena, zůstala by trvale gravitačně uvězněná v neutronové hvězdě. Z hlediska chemického vývoje vesmíru je důležité, jaké množství látky, tvořené těžkými prvky, vzniká při srážkách a splynutí neutronových hvězd. Jaderně-astrofyzikální analýzy ukazují, že při sloučení dvou neutronových hvězd obvyklých hmotností cca 1,2-2 M_¤ se množství vyvržené neutronové látky odhaduje na zhruba 0,1 M_¤. Její nukleonizací by mohlo vzniknout cca 0,05 M_¤ (=~16000M_Země) prvků těžších než železo - z toho cca 5M_Země prvků z oblasti lanthanoidů, cca 10M_Země prvků z okolí zlata a platiny a cca 2M_Země nejtěžších prvků z oblasti uranu.
K posouzení toho, v jaké míře se fúze neutronových hvězd podílejí na celkové kosmické nukleogenezi těžších prvků - spolu se stelární syntézou a výbuchy supernov (srov. §4.1, 4ást "Evoluce hvězd" a §4.2, část "Astrofyzikální význam supernov") - je nutno odhadnout, jak časté jsou tyto události fúze neutronových hvězd ve vesmíru. Výchozím astronomickým údajem je zde počet (procento) těsných masívních dvojhvězd s hmotnostmi 2÷8 M_¤, které na konci svého života vybuchují jako supernovy a vedou ke vzniku neutronových hvězd. Tyto neutronové hvězdy pak kolem sebe obíhají, vyzařují gravitační vlny a po čase daném vzorcem (2.82c) - pohybuje se od cca 100 milionů do více jak 10 miliard let - se sloučí a přitom vyvrhnou část neutronové hmoty, která nukleonizuje za vzniku těžkých prvků (jak bylo výše uvedeno). Frekvence výskytu událostí této fúze neutronových hvězd se odhaduje na (200 - 1000) Gpc^-3rok^-1 (snad tedy v prostoru jednoho kubického gigaparseku max. tisíc fúzí neutronových hvězd za rok...) *).
*) Velká nejistota očekávané frekvence výskytu fúze neutronových hvězd je způsobena tím, že neznáme dost dobře počáteční parametry orbit neutronových hvězd v binárním systému, ani hustoty případného brzdícího plynného prostředí, v němž neutronové hvězdy obíhají. Pokud by obíhání probíhalo ve vakuu, byla by frekvence výskytu ještě podtatně nižší.
Výsledné analýzy ukazují, že fúze neutronových hvězd neprobíhá dost často na to, aby stačila globálně *) vysvětlit většinu pozorovaného množství těžkých prvků ve vesmíru. Je sice důležitou součástí, avšak hlavním zdrojem těžkých prvků je pravděpodobně hvězdná nukleosyntéza a výbuchy supernov (jak bylo diskutováno v §4.2, část "Astrofyzikální význam supernov"), včetně vysoce výkonných rychle rotujících supernov se silným magnetickým polem.
*)Lokálně však může být významným zdrojem. Pokud v blízkosti několika stovek svělelných let od zárodečné plyno-prachové mlhoviny, z níž vznikají protohvězdy a pak hvězdy, dojde ke srážce a fúzi neutronových hvězd, mohou být vznikající hvězdy a planetární soustavy kolem nich obohaceny o těžké prvky, více než hvězdy v oblastech kde k tomuto procesu nedošlo. Jaderně-analytické metody zkoumání obsahu isotopů v meteoritech naznačují, že k k něčemu takovému došlo i před vznikem naší sluneční soustavy...
Gravitační "standardní siréna"
Detekce gravitačních vln z fúze neutronových hvězd, spolu se současnou detekcí elektromagnetického záření z jejich optickývh protějšků, má i astrofyzikálně-kosmologický význam pro nezávislé stanovení vzdálenosti příslušných objektů. Toto meření totiž umožňuje kombinovat stanovení vzdálenosti ke zdroji odvozené z analýzy signálu gravitační vlny, s rychlostí vzdalování odvozenou z měření rudého posuvu pomocí spektrometrie elektromagnetického signálu. Tento přístup nevyžaduje použití "žebříku" kosmických vzdáleností (diskutovaného v §4.1, pasáži "Stanovení vzdáleností vesmírných objektů - základní podmínka astrofyziky"). Analýza gravitačních + elektromagnetických vln tak může být použita k přímému stanovení vztahu vzdálenosti <--> svítivosti v kosmologických měřítcích, bez použití mezilehlých měření vzdáleností, s někdy problematickou návazností. Detekce gravitačních vln se proto někdy metaforicky označuje jako "standardní siréna" - gravitačně-vlnový analog elektromagnetické "standardní svíčky" (cefeidy, supernovy Ia) používané pro stanovení velkých kosmologických vzdáleností...

Vliv černých děr na okolní vesmír
Z obecně-relativistické teorie černých děr, podané v §4.2-4.7 (v návaznosti na §3.4-3.6), by se mohlo zdát, že:
n1. Černé díry jsou lokálně velmi účinné "vysavače" hmoty z vesmíru - "bezedné propasti" do nichž hmota padá a nenávratně mizí z vesmíru;
n2. Černé díry však mají, vzhledem ke své kompaktnosti, velmi malý "akční rádius" ve srovnání s kosmickými měřítky.
Vlastnosti rotujících akrečních disků kolem černých děr však tyto závěry poněkud mění:
¨ad 1. Ne všechna hmota, která se dostane do blízkosti černé díry, je nenávratně ztracena. Pokud černá díra rychle rotuje, pak z horkého plynu klesajícího ve víru akrečního disku může být poměrně značná část vyvržena ve dvojici výtrysků podél rotační osy. U rychle rotujících černých děr může být vyvržno až 25% hmoty, která vstupuje do akrece.
¨ad 2. Výtrysky látky a záření podél rotační osy akrečních disků superhmotných černých děr sahají do velkých vzdáleností mnoha set tisíc světelných let (jak je vidět např. na obr.4.29), kde mohou ovlivňovat dynamiku tvorby hvězd a evoluce galaxií. Efektivní dosah černých děr - jejich "akční rádius" - se tak pronikavě zvyšuje.
Černé díry obklopené akrečním diskem již nejsou jen pouhými malými ale bezednými a tajemnými "dírami v prostoru", ale stávají se dynamickými objekty, podílejícími se výrazně na dramatických dějích pozorovaných ve vzdáleném vesmíru. Celkově můžeme říci, že již nyní černé díry mají své důležité místo v astrofyzice a vše zatím nasvědčuje tomu, že význam černých děr při dalším rozvoji poznání struktury a evoluce vesmíru dále poroste.

"Díry" ve vesmíru
Současná relativistická astrofyzika dospěla ke koncepci čtyř druhů "děr" - hlubokých defektů ve struktuře prostoročasu, které by, aspoň teoreticky v rámci OTR, mohly existovat ve vesmíru :
¨Černé díry,
představující oblast, v níž přitažlivá gravitace je natolik silná, že "nepustí" ven ani světlo - kolem této oblasti vznikne horizont událostí. Typické černé díry vznikají gravitačním kolapsem dostatečně hmotných hvězd (§4.2 "Konečné fáze hvězdné evoluce. Gravitační kolaps. Vznik černé díry."), jsou to jakési "posmrtné" zbytky. Teorií černých děr jsme se široce zabývali v celé stávající kapitole 4 "Černé díry".
¨Bílé díry (hypotetické) ,
které jsou určitým "opakem" černých děr. Z oblasti bílé díry překotně vylétá záření a hmota do okolního prostoru. V §4.4 "Rotující a elektricky nabité Kerrovy-Newmanovy černé díry" jsme si ukázali teoretickou možnost, jak uvnitř rotující černé díry by mohla hmota pod vnitřním horizontem "minout" singularitu a vynořit se v jiné oblasti prostoročasu - v "jiném vesmíru"; toto místo by se zde jevilo jako "bílá díra". Zároveň jsme tuto možnost podrobili kritickému rozboru, z něhož vyplynula faktická nemožnost tohoto procesu. Pro bílé díry tohoto druhu tedy nejsou žádné teoretické ani observační indicie. Jako bílá díra by se však mohla jevit závěrečná fáze kvantové evaporace hypotetické černé "mikrodíry" (§4.7 "Kvantové vyzařování a termodynamika černých děr").
¨Šedé díry,
které by byly jakýmsi "přechodovým stavem" mezi pohlcující černou dírou a vyzařující bílou dírou. Podle kvantové gravitace by každá černá díra byla ve skutečnosti "šedá" - na jedné straně by nevratně pohlcovala hmotu i záření, ale na druhé straně by kvantově emitovala jiné záření (§4.7 "Kvantové vyzařování a termodynamika černých děr").
¨Červí díry (hypotetické) ,
představující jakési "topologické zkratky" v prostoročase, kterými by částice mohly procházet a překonávat obrovské prostorvé vzdálenosti mezi vzdálenými místy v daném vesmíru, nebo dokonce pronikat do "jiných vesmírů" (je diskutováno v §4.4, pasáž "Červí díry").

Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu :
Gravitace ve fyzice	Obecná teorie relativity	Geometrie a topologie
Černé díry	Relativistická kosmologie	Unitární teorie pole
Antropický princip aneb kosmický Bůh
Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie


4.7. Kvantové vyzařování a termodynamika černých děr		4.9.Gravitační kolaps - - největší katastrofa v přírodě

Jakou roli ve vesmíru mají černé díry ?