Děje se něco? - 29 (Černé díry a jejich působení na světlo)

Rotující černé díry stáčejí světlo do spirály

... to je předpoklad vyplývající z obecné teorie relativity. Vědci vypočítali, jak by se mělo stáčení časoprostoru v okolí superhmotné rotující černé díry projevit na světle, které k nám přilétá z její blízkosti. Teď mají astronomové jasno, co mají pomocí měření hledat, aby poskytli další z mnoha důkazů, že se Einstein nemýlil.

Zvětšit obrázek

Rotující černá díra deformuje časoprostor jinak než nerotující. Potenciálová jáma se v její blízkosti stáčí ve směru otáčení. Kredit: J. Bergeron/ Sky & Telescope

Gravity Probe A a B – kosmické testy teorie relativity

Proslulou Einsteinovu teorii prověřovalo bezpočet experimentů. Mezi ně patří i kosmická družice Gravity Probe A, která v roce 1976 při krátkém letu ve vzdálenosti 10 000 km od zemského povrchu úspěšně prokázala, že při menší gravitaci plyne čas nepatrně rychleji. Kolik podobných testů teorie relativity přežila! O něco výjimečnější byl projekt, který pomocí sondy Gravity Probe B (2004-2005) měl změřit deformaci "okolozemského" časoprostoru, kterou způsobuje samotná rotace planety (Lenseho–Thirringova precese, neboli L.-T. efekt). Nelze si to celkem dobře představit. Notoricky známý obraz pružné trampolíny s koulí, jež v ní dělá prohlubeň, je dvojrozměrná analogie zobrazená v trojrozměrném prostoru. Ale zůstaňme při ní, jenom si představme, že ta pružná rovina představující 2rozměrný časoprostor je z gumy, jež obepíná hmotné kulové těleso v jeho polovině - v „rovníku“. Není s ním však pevně spojena. Teď v mysli začněte tělesem rotovat. Gumovou plochu bude deformovat směrem dolů hmotnost koule a její rotace ji bude trochu stáčet ve směru pohybu. Míra tohoto pokroucení bude přímo závislá jednak od frekvence otáček koule a jednak od toho, jak pevně ji guma obepíná a nakolik je pružná. A to vlastně simuluje velkost gravitace. Čím je vesmírné těleso hmotnější a čím rychleji rotuje, tím větší a zkroucenější potenciálovou jámu v okolním časoprostoru vytváří. Je zjevné, že při Zemi musí jít o velmi nepatrnou hodnotu – sonda Gravity Probe B měla potvrdit teoreticky vypočtených 41 tisícin obloukové sekundy za rok. Ale ani po třech letech (2008) od ukončení měření se týmu fyziků nepodařilo v šumu najít jednoznačné stopy tohoto subtilního jevu. Po vážných problémech s dalším financováním projektu se vědci chytli stébla a tvrdí, že se jim přece jenom podařilo najít nepatrný, ale nezpochybnitelný důkaz strhávání časoprostoru rotující Zemí.

Zvětšit obrázek

O světle, které se šíří po spirále a jeho využití se píšou odborné knihy. Tato se na pultech objeví asi za dva měsíce.

Rotace černé díry stáčí světlo do spirály
Zcela jiná situace nastává, když na časoprostor působí gravitace rotující supermasivní černé díry. Jeho deformace se promítne i do světla, které jím prochází. Jaký efekt bychom měli zaznamenat ve fotonech rádiového záření, které emituje hmota řítící se do černé díry podobné té, jaká sídlí v jádru Mléčné dráhy, popisuje v článku zveřejněném v časopisu Nature Physics čtveřice autorů, z nichž každý pracuje na fyzikálně-astronomickém pracovišti v jiné zemi – v Itálii, Švédsku, Austrálii a Španělsku.

Vědci použili oblíbený pracovní nástroj – matematicko-fyzikální modely – na simulaci vlivu zkrouceného časoprostoru na záření, které emituje tenký akreční disk hmoty tvořící se v rovině rovníku otáčející se černé díry. Jejich snahou bylo určit jak se tento relativistický jev podepíše na vlastnostech světla a co vzdálený pozorovatel pomocí radioteleskopu s dostatečnou rozlišovací schopností naměří. Nepátrali na zelené louce. Již v roce 2003 významný americký astronom z Cornell University, Martin Harwit, který se narodil v roce 1931 v Praze, ve svém článku Orbitální moment hybnosti fotonu v astrofyzice odůvodňuje, jak moment hybnosti rotující černé díry způsobí spirálové stáčení elektromagnetické vlny. (Poznámka: v odborné literatuře se rotující černé díry nazývají Kerr black holes, podle novozélandského matematika, který fyzikálně popsal geometrii prostoru v jejich gravitačním dosahu).

Zvětšit obrázek

Fázové změny světla vznikajícího v blízkosti rotující černé díry. Spirála znázorňuje dráhu světla, které rotační energie superhmotného tělesa obdařila orbitálním momentem hybnosti. Kredit: Nature Physics.

Teorie předpokládá, že vlnoplochy záření procházejícího v blízkosti masivní rotující černé díry v rovině kolmé na její rotační osu se budou spirálovitě stáčet, protože polovina vlnoplochy bude deformovaná předbíhajícím se časoprostorem a druhá polovina naopak tím zpožďujícím se. To elektromagnetické vlně vtiskne šroubovitý tvar (fáze vlny - maxima a minima - vytvoří spirálu). Kdyby se astronomům podařilo charakteristiky světelné spirály změřit, umožnilo by jim to vypočítat rotační frekvenci černé díry.

V praxi si ale tato představa vyžaduje přesné měření orbitálního momentu hybnosti fotonů. Minimálně několika tisíců až statisíců, podle rychlosti rotace dané černé díry. Takový soubor dat by měl již odhalit hledaný spirálovitý vzor, který fáze záření z okolí černé díry vytvářejí.

Zvětšit obrázek

Světlo s orbitálním momentem hybnosti vytváří spirálovitý interferenční vzor. Kredit: E. Galvez/Colgate Univ.

„Jde o neobvyklý rotující typ světla,“ říká Bo Thidé ze Švédského astrofyzikálního ústavu v Uppsale, jeden z autorů studie. „Nazýváme ho stáčejícím se, nebo spirálovitým světlem – neexistuje pro to výstižnější pojmenování.“ Světlo s orbitálním momentem hybnosti se totiž liší od světla kruhově polarizovaného, i když obrázky, které se oba typy snaží znázornit, jsou podobné. "Můžete si to představit tak, že světlo, které k nám od černé díry přichází, se nešíří po přímce, nýbrž po spirále,“ upřesňuje Thidé.

Nynější studie představuje modelovou situaci simulující stáčení rádiového záření superhmotného zdroje typu Sgr A*, jaký je v centru Galaxie. Vědci mají v plánu, že v případě zajištěného financování se v nejbližších dvou letech budou snažit svoje teoretické výpočty potvrdit měřením fázové charakteristiky světla pomocí velkých radioteleskopů, zejména soustavy deseti rádiových antén Very Long Baseline Array v Novém Mexiku. Pravděpodobnost, že se jim podaří dosáhnout potřebného rozlišení, je ale malá. Větší naději nabízí mezinárodní projekt Square Kilometre Array, který počítá s 3 000 km rozlehlou sítí několika tisíců rádiových antén tří typů, jež spolu 50krát převýší možnosti současných radioteleskopů. Problémem je, že je to hudba budoucnosti a dokončení projektu má v plánu rok 2024.
Jestli se podaří objevit „šroubovité“ světlo, ukáže čas. Bezpochyby se o to nějaký tým pokusí, protože hledat projevy obecné teorie relativity (1915) neztratilo ani po téměř sto letech svou vzrušující přitažlivost.

Zdroje: Nature 1, 2, 3, CBS News, NASA