Hvězdné nebe nad horizontem událostí černých děr

Einsteinova obecná relativita se letos dožila sta let. Jednou z jejích nejzásadnějších implikací je možnost existence černých děr, exotických oblastí prostoročasu, které jsou díky svému extrémně silnému gravitačnímu poli vybaveny horizontem událostí, uzavírajícím jejich nitro před všemi fyzikálními pozorovateli ve zbytku vesmíru. Současná relativistická astrofyzika předpovídá černé díry jako nevyhnutelný finální výsledek gravitačního kolapsu velmi hmotných hvězd i celých galaktických jader. Další z klíčových předpovědí teorie relativity je ohyb světelných paprsků v gravitačním poli, které je Einsteinem interpretováno jako zakřivení prostoročasu. Velmi krotký ohyb světla hvězd v slabém gravitačním poli Slunce byl při úplném slunečním zatmění v roce 1919 prvním observačním testem Einsteinovy teorie. Současné pokročilé astronomické technologie umožňují pozorovat ohyb světla vzdálenými galaxiemi hrajícími roli gravitačních čoček, díky kterým můžeme nahlížet do jinak nedostupných propastí velmi hlubokého vesmíru.

Einsteinovu obecnou relativitu máme dnes velmi dobře otestovánu v režimu slabého pole, kdy převážně popisuje pouze odchylky od předpovědí newtonovské mechaniky. Kruciálním testem správnosti Einsteinova modelu zakřiveného prostoročasu může být ale pouze popis a předpovědi dějů, které se odehrávají v nejsilnějších gravitačních polích černých děr i neutronových hvězd a nacházejí se zcela mimo dosah Newtonovy teorie. Horizonty událostí černých děr, které pohlcují veškeré dopadající záření, nemůžeme z principu věci samé přímo pozorovat. Nicméně s pravděpodobností hraničící s jistotou jsou bouřlivé fyzikální procesy v blízkosti černých děr považovány za zdroj energie enormního záření kvazarů, aktivních galaktických jader i jejich miniatur, silně rentgenově zářících binárních hvězdných systémů, nazývaných mikrokvazary. Hmota proudící do hvězdných i supermasivních černých děr z jejich okolí vytváří kolem nich intenzivně zářící horké akreční diskové nebo toroidální struktury. Analýza časové proměnnosti a spektrálního složení jimi emitovaného záření je jedním z mála dostupných pozorovacích oken, kterými lze nahlédnout do prostředí skutečně silné gravitace. Plně relativistický popis šíření světla i ostatního elektromagnetického záření je proto nezbytný pro testy obecné relativity a také pro určování parametrů černých děr pomocí interpretace observačních dat. Počítačové simulace vzhledu horkých akrečních struktur v okolí černých děr ukazují, že ohyb světla v silném gravitačním poli radikálně mění vlastnosti optického zobrazování, které se lidským bytostem zdají zcela samozřejmé a nejspíše hluboce souvisí se základy naší intuice a představivosti. Zakřivený prostoročas v blízkosti horizontu událostí funguje jako extrémní gravitační čočka s překvapivými a neintuitivními vlastnostmi (obr. 1).

Pro modelování velmi rychlé, až milisekundové proměnnosti rentgenového záření binárních hvězdných systémů s černou dírou nebo neutronovou hvězdou, které je zachycováno družicovými rentgenovými observatořemi, jsme ve Výzkumném centru počítačové fyziky a zpracování observačních dat Slezské univerzity v Opavě vyvinuli softwarový simulátor relativistické optiky LSDCode+. Softwarový balík LSDCode+ sehrál i poměrně významnou úlohu při přípravě vědecké náplně mezinárodního projektu observační kosmické mise LOFT, zaměřené na výzkum silné gravitace. [1] Díky flexibilní architektuře lze však LSDCode+ snadno nakonfigurovat také pro řešení inverzní úlohy, kdy se virtuální pozorovatel nacházející se v blízkosti černoděrového horizontu dívá