Gravitace versus magnetismus

Značná část hmoty ve vesmíru se nachází v podobě plazmatu, tedy ve skupenství podobném plynu, avšak s vysokým stupněm ionizace. Plazma obsahuje mnoho volně pohyblivých elektricky nabitých částic – elektronů obdařených záporným nábojem a iontů s opačným kladným nábojem. Tvoří hvězdy a vyplňuje jinak téměř prázdné kosmické prostředí mezi nimi.

Přítomnost velkého množství nabitých částic činí plazma velmi citlivé na působení magnetických sil, které mohou vznikat účinkem elektrických proudů tekoucích ve vodivém prostředí akrečních disků nebo uvnitř magnetických hvězd. Hovoříme o tzv. efektu dynama, jehož vlivem se magnetické pole generuje a zesiluje. Zejména kompaktní neutronové hvězdy si dokážou udržet neobyčejně intenzivní magnetické pole dosahující na jejich povrchu až stovek milionů tesla (v extrémním případě magnetarů dokonce ještě o tři řády více). Fyzikové studují procesy probíhající v laboratorním magnetizovaném plazmatu, zatímco astrofyziky zajímá především, jak se toto prostředí chová ve vesmíru.

V blízkosti kompaktních objektů – neutronových hvězd a černých děr – se však uplatňuje ještě další síla s dalekým dosahem: gravitace. Efekt zemské gravitace na laboratorní plazma je poměrně malý a ani na Slunci nebo v mezihvězdném prostředí není její vliv na pohyb plazmatu příliš důležitý. Dominují elektromagnetické jevy. V případě kompaktních těles je však situace diametrálně odlišná. Přestože intenzita magnetických polí v okolí těchto objektů dosahuje nepředstavitelných hodnot (jako např. 108 tesla), mnohonásobně překračujících intenzity, s jakými se můžeme setkat na Zemi nebo jinde ve sluneční soustavě, působení gravitace dokáže být u kompaktních hvězd srovnatelně významné. V těsné blízkosti horizontu černých děr vždy nakonec převládne gravitace nad ostatními silami.

Černé díry o několika slunečních hmotnostech vznikají jako závěrečné stadium vývoje masivních hvězd ve fázi, kdy vyhasínající termonukleární reakce již nedokážou udržet hvězdu v rovnováze proti její vlastní gravitaci. Plazma tvořící hvězdu se pak začne smršťovat, jeho hustota rychle roste nade všechny meze a původně gigantická plazmová koule se ponoří pod horizont, odkud ani světlo nedokáže uniknout. Tento bouřlivý zánik hvězdy může být doprovázen výbuchem supernovy a současně emisí intenzivních elektromagnetických vln a odmrštěním svrchních plazmových obálek hvězdy.

Pokud hmotnost kolabujícího tělesa nedosahuje přibližně trojnásobku hmotnosti Slunce (jde o tzv. mezní hodnotu TOV, nazvanou podle fyziků Tolmana, Oppenheimera a Volkoffa), vznikne jako konečný produkt chladnoucí neutronová hvězda. Průměr typické neutronové hvězdy činí několik desítek kilometrů a jen o málo přesahuje velikost stelární černé díry. Od té se však liší především existencí dobře definovaného povrchu, jenž určuje rozměr neutronové hvězdy. Zároveň je schopna udržet si vlastní dipólové magnetické pole. Působí tedy na své okolí jako obrovský magnet, jehož magnetický moment je zesílen stejným faktorem, jakým se zmenšila velikost z původní hvězdy na výsledné kompaktní těleso o průměru jen pár desítek kilometrů, tzn. neobyčejně velkým faktorem v řádu milionů a více.

Gravitace neutronových hvězd je slabší než v případě černých děr, avšak rozdíl není nijak dramatický. Také v blízkosti neutronových hvězd hraje vzájemná interakce gravitačních a magnetických polí významnou roli. Tvoří se výtrysky elektromagneticky urychleného plazmatu, které unikají od hvězdy rychlostí srovnatelnou s rychlostí světla.

Ještě další efekt je přitom velmi podstatný – rotace. Protože kompaktní těleso vzniklo kontrakcí, při níž si zachovává značnou část původního rotačního momentu, výsledný produkt, tj. neutronová hvězda, musí rotovat s velmi vysokou frekvencí, která často dosahuje i několika stovek obrátek za sekundu. Rotace způsobuje navíjení magnetických siločar a jejich přepojování, čímž dochází k ohřevu a urychlování plazmatu v magnetosféře hvězdy.

V jádrech galaxií existují superhmotné černé díry, jejichž hmotnosti dosahují milionů až miliard hmotností Slunce. Přestože tyto černé díry nejsou schopny udržet vlastní magnetické pole jako neutronové hvězdy (nejsou to tělesa tvořená vodivou látkou, v níž by mohl přetrvávat zamrzlý magnetický dipól), svou gravitací přitahují okolní plazma a s ním i vnořené magnetické pole, které se v blízkosti horizontu zesiluje na hodnotu asi 1 tesla. Rotace černé díry způsobuje strhávání okolní hmoty (proces známý z obecné teorie relativity, který nemá obdobu v klasické Newtonově teorii gravitace). Toto strhávání působí nejen na částice plazmatu, nýbrž i na magnetické pole, čímž opět napomáhá vzniku a urychlení výtrysků hmoty podél rotační osy. Nastává tedy vzájemná souhra mezi přitažlivým vlivem gravitace, která vyvolává postupnou akreci okolního plazmatu, a elektromagnetickým urychlováním, které část plazmatu v posledním okamžiku zachrání před pohlcením černou dírou a vyvrhne ho zpět do okolního prostoru.

Chování a vlastnosti plynů či obecněji tekutin složených z elektricky neutrálních částic dobře popisuje hydrodynamika. S tou však nevystačíme při studiu plazmatu tvořeného elektricky nabitými částicemi a vystaveného vlivům magnetického pole. Jeho působení vyvolává celou škálu efektů – nové typy vln, které mohou vznikat a šířit se různými rychlostmi v prostředí magnetizovaného plazmatu, ale také nové mechanismy vedoucí k cyklickému zesilování magnetického pole (efekt dynama), přeskupování magnetických siločar (magnetická rekonekce) a urychlování částic plazmatu (např. tzv. Fermiho proces). Takové fyzikální procesy dokáže popsat magnetohydrodynamika, tedy obecnější teorie spojující hydrodynamické vztahy pro tekutinu s Maxwellovými rovnicemi elektromagnetického pole.

Plazma interagující jak s magnetickým, tak i gravitačním polem vykazuje ještě širší plejádu jevů, k jejichž popisu je třeba použít ještě komplexnější teorii – gravitační magnetohydrodynamiku. V případě velmi silných gravitačních polí, jako jsou právě ta v blízkosti kompaktních hvězd a černých děr, je nutné formulovat gravitační členy v rovnicích v souladu s Einsteinovou obecnou teorií relativity. Problém tedy zahrnuje dvě značně odlehlé oblasti fyziky, což jej činí nesnadno uchopitelným a obtížně řešitelným, ale současně také velmi bohatým na zajímavé výsledky.

Teorie zahrnující interakci plazmatu s gravitačním a magnetickým polem je potřeba k vysvětlení vlastností obou výše zmíněných tříd kompaktních kosmických těles – jak těch, které mají hvězdný původ a hmotnosti, tak i superhmotných černých děr v jádrech galaxií. Zajímavou kategorii reprezentují aktivní jádra velkých eliptických galaxií, jako je např. galaxie označovaná v Messierově katalogu jako objekt M87 v souhvězdí Panny. Černé díry v těchto velkých galaxiích patří mezi ty nejmohutnější, jaké byly ve vesmíru objeveny. Jejich hmotnosti přesahují miliardu hmotností Slunce. Galaxie M87 se nachází poměrně blízko nás (vzdálená je 54 milionů světelných roků od Země), a proto lze pomocí radiové interferometrie sledovat detailní strukturu jejích plazmových výtrysků urychlovaných těsně nad horizontem černé díry na škálách pouhých několika desítek gravitačních poloměrů. Na optických snímcích pořízených Hubbleovým kosmickým dalekohledem je patrné, že výtrysk vystupuje z centra akrečního disku o rozměru několika desítek světelných roků.

Plazma v akrečním disku černou díru obkružuje a dodává jí materiál pro tvorbu výtrysků, které se projevují elektromagnetickým vyzařováním v radiové oblasti spektra. Emitované záření nemá termální charakter; dobře se dá popsat pomocí synchrotronového mechanismu (nejde tedy o tepelné záření jako u běžných hvězd). Ještě intenzivnější radiovou emisi, než jakou vykazuje galaxie M87, pozorujeme často u radiových kvasarů. Také zde se patrně jedná o superhmotné černé díry obklopené magnetizovaným plazmovým prostředím, avšak tyto objekty jsou bez výjimky velmi vzdálené (tedy vyskytovaly se v dřívějším vývojovém období vesmíru), takže je lze jen obtížně pozorovat a rozpoznat v nich jakékoli detaily.

Gravitační magnetohydrodynamika poskytuje velmi vhodný formalismus schopný popsat uvedené supermasivní systémy. Na mnohem menších (stelárních) škálách jsou však známy i objekty značně odlišné od aktivních galaxií a kvasarů, které je však v mnoha aspektech připomínají. Především jsou s nimi shodné v tom ohledu, že také obsahují černé díry a vvvrhují plazmové výtrysky. Jde o tzv. mikrokvasary, představující obdobu galaktických jader v malém. Předponu „mikro“ je ovšem třeba chápat v přeneseném smyslu – stále hovoříme o velkých kosmických tělesech. Ve skutečnosti jde o dvojhvězdné soustavy, v nichž jednou složkou je černá díra o hmotnosti řádově desetinásobku sluneční hmotnosti, která na škálách milionkrát menších než v galaktických jádrech urychluje a kolimuje plazma do dlouhých výtrysků expandujících téměř rychlostí světla. Zdrojem plazmatu je druhá složka dvojhvězdné soustavy, hvězda, která ztrácí část své hmoty pod vlivem silné přitažlivosti černé díry.

Vznik a urychlování částic plazmatu stejně jako jejich kolimaci do podoby výtrysků a pozorovanou emisi synchrotronového záření lze vysvětlit přítomností uspořádaného magnetického pole, do kterého je centrální objekt vnořen. Pro existenci takových velkorozměrových magnetických polí svědčí i pozorování dlouhých filamentů zářícího plazmatu v jádru naší Galaxie. Je pravděpodobné, že toto magnetické pole působí na rotující černou díru (podobně jako působí na rotující neutronovou hvězdu), postupně brzdí její rotaci a na úkor takto uvolněné rotační energie urychluje elektricky vodivé prostředí okolního plazmatu a vymršťuje ho pryč ze soustavy.

Rotace se tedy jeví jako původce pozoruhodné kolimace výtrysků a jejich vysoké rychlosti. Zda je tento scénář skutečně správný a jak přesně se rotační energie transformuje do lineární expanze výtrysků, však dosud nemáme uspokojivě zodpovězeno. Dosavadní výsledky gravitační magnetohydrodynamiky naznačují, že do hry vstupuje komplikovaná souhra elektromagnetických jevů se silnou gravitační atrakcí působící jak na částice plazmatu, tak na magnetické pole. To pak vede k přepojování magnetických siločar a urychlování hmoty.

Ověřování teoretických modelů akrečních systémů, které astrofyzikové konstruují a jejichž základní komponenty jsme se snažili v tomto článku nastínit, je ze zřejmých důvodů obtížné. Od objektů, jejichž chování mají modely popisovat, nás dělí vpravdě astronomické vzdálenosti znemožňující přímá pozorování jejich detailní struktury. V případě nejbližších mikrokvasarů se jedná o tisíce světelných let, u systémů supermasivních černých děr jde dokonce o desítky milionů světelných roků. Netrpělivě proto čekáme na výsledky pozorování pomocí nových astronomických detektorů pracujících jak v oboru radiovém (nově budovaná interferometrická soustava ALMA v Chile a modernizované VLA v Novém Mexiku), tak rentgenovém (brzké mise družic NuSTAR a GEMS). Lepší rozlišovací schopnost, mnohem vyšší citlivost a širší spektrální rozsah těchto zařízení nám umožní studovat do mnohem větších podrobností fascinující systémy kosmických černých děr.