Týka sa čiernych dier a ich správania v elektromagnetickom poli. Samotný výsledok sa dá formulovať takto:
Tok magnetického poľa cez horizont extremálnej stacionárnej, axiálne symetrickej čiernej diery je nulový.
Z tohoto výroku nie je zrejmé, o čom je reč, čo znamenajú jednotlivé slová, ani aký je fyzikálny význam tohoto výsledku. A tomu by som chcel venovať tieto články.
Teória relativity a alternatívy k nej
Najlepšou teóriou gravitácie, ktorú v súčasnosti máme, je Einsteinova všeobecná teória relativity. Je veľmi dobre experimentálne preverená, vysvetľuje veci, ktoré vidíme v našej Slnečnej sústave i v ďalekom vesmíre. Vďaka teórii relativity si ľudia uvedomili, že má zmysel študovať históriu vesmíru, čo bolo predtým nemysliteľné. Existujú však aj vážne indície, že niektorým zdanlivo jednoduchým veciam nerozumieme, hovorím teraz o tzv. temnej hmote a temnej energii. Temnou hmotou nazývame hypotetickú hmotu, ktorá sa prejavuje svojimi gravitačnými účinkami, temná energia je zase hypotetická forma hmoty, ktorá spôsobuje, že rozpínanie vesmíru sa zrýchľuje. Sú to veci, ktoré zatiaľ úplne nechápeme a hoci sami o sebe neprotirečia teórii relativity, v súčasnosti sa mnoho vedcov venuje tzv. alternatívnym teóriám gravitácie, z ktorých by tieto javy vyplynuli automaticky.
Avšak v každom konkrétnom prípade, kedy teória relativity dáva špecifickú predpoveď a číselné hodnoty predpovedaných veličín, boli tieto predpovede potvrdené. Za jeden z najimpozantnejších dôkazov teórie relativity považujem predpoveď, že dvojhviezdy musia vyžarovať gravitačné vlny a tým strácať energiu, takže nemôžu obiehať donekonečna, ale musia sa k sebe postupne približovať. Dnes pozorujeme vzdialené dvojhviezdy (pulzary), ktorých perióda obiehania sa mení presne v súlade s teóriou relativity.
Tak či onak, dnes nie je vylúčené, že teóriu relativity budeme musieť nahradiť lepšou teóriou, ale zatiaľ takú nemáme. Takže hoci mnoho ľudí vyšetruje alternatívne možnosti, niektorí skúmajú ďalšie a ďalšie predpovede teórie relativity, ktoré by bolo možné porovnať s pozorovaním. Či už je relativita správna alebo nie, je dôležité vyšetrovať dôsledky teórie relativity, aby v (blízkej?) budúcnosti bolo možné odlíšiť teóriu relativity od jej mladších (a zatiaľ menej úspešných) alternatív. Preto v tomto článku budem argumentovať na báze teórie relativity a dostupných pozorovaní, hoci som si vedomý existencie iných teórií a iných dôsledkoch z nich plynúcich.
Schwarzschildova čierna diera
Čierne diery patria k najfascinujúcejším predpovediam teórie relativity a dnes sme presvedčení, že vo vesmíre je množstvo čiernych dier. Fyzik Donald Lynden-Bell, dnes starý, ale stále čiperný pán, je autorom myšlienky (dnes potvrdenej), že v centre väčšiny galaxií je obrovská, tzv. supermasívna, čierna diera. Takáto čierna diera jednak drží pohromade celú galaxiu svojím gravitačným poľom, jednak je motorom pre rôzne procesy, o ktorých budem za chvíľu písať. V prípade, že v centre galaxie takáto čierna diera je, hovoríme o aktívnom galaktickom jadre (AGN, active galactic nucleus).
Einsteinove rovnice gravitačného poľa sú veľmi zložité (kvázilineárne parciálne diferenciálne rovnice) a dokážeme ich riešiť len v jednoduchých prípadoch, pre tie zložitejšie potrebujeme simulácie na počítači a aj to je veľký problém. Dnes poznáme veľké množstvo presných riešení Einsteinových rovníc, ale mnoho z nich nemá fyzikálny význam, sú zaujímavé len tým, že ich vieme nájsť. Navzdory tejto neutešenej situácii však poznáme pár riešení, o ktorých vieme, že sú VEĽMI fyzikálne dôležité.
Čierne diery patria k týmto riešeniam. Hneď po objave teórie relativity publikoval Karl Schwarzschild riešenie Einsteinových rovníc, ktoré popisuje nerotujúcu čiernu dieru (nazýva sa aj Schwarzschildova čierna diera). Schwarzschild bol meteorológ, ale mal dobré matematické znalosti a bol schopný Einsteinove rovnice pre takýto jednoduchý prípad vyriešiť. Onedlho nato zomrel na frontoch prvej svetovej vojny, niekde sa píše, že bol picnutý, inde, že zomrel na nejakú chorobu.
Ako všetci viete z populárnej literatúry, čierna diera sa vyznačuje tým, že ani svetlo z nej nemôže uniknúť. Pretože rýchlosť svetla je medzná rýchlosť, nemôže z čiernej diery uniknúť vôbec nič. Presnejšie, čierna diera pozostáva z jedného bodu zvaného singularita, kde je gravitačné pole nekonečne veľké, krivosť priestoru tam rastie nad všetky medze. V tejto singularite je sústredená celá hmotnosť čiernej diery. Aby však singularita bola čiernou dierou, musí okolo nej existovať tzv. horizont udalostí. To je myslená guľová plocha obklopujúca singularitu. Ak ste nad horizontom udalostí, môžete sa pohybovať ľubovoľne, ak máte dosť silné motory na svojej rakete. Ak však horizont prekročíte, ani raketové motory, ani Ficove istoty vás nezachránia, nad horizont už sa nikdy nedostanete, ale musíte nutne padať až do singularity. Písal som o tom podrobne v predchádzajúcich blogoch.
Čierna diera s elektrickým nábojom
Zatiaľ sa bavíme o nerotujúcej, Schwarzschildovej čiernej diere. Krátko po Schwarzschildovom objave bolo nájdené iné riešenie, ktoré sa naýva Reissnerova-Nordstromova čierna diera. Je to opäť nerotujúca čierna diera, ktorá má ale elektrický náboj. Vo veľkej vzdialenosti sa taká čierna diera prejavuje ako nabitá guľa so silným gravitačným poľom. V strede tejto čiernej diery je znovu singularita, ale je obklopená až dvoma horizontmi, vnútorným a vonkajším.
Ten vonkajší vyzerá presne ako horizont Schwarzschildovej čiernej diery. Ak cezeň prejdete, padáte smerom k singularite a nič, ani svetlo, nemôže uniknúť. Ako tak však padáte k singularite, prekročíte aj vnútorný horizont, a tam sa zase všetko chová normálne. Ak máte silnú raketu, môžete zostať na jednom mieste, nemusíte do singularity spadnúť. Môžete sa dokonca pozerať na singularitu, vysielať k nej signály, aj prijímať signály z nej (keby tam bol niekto, kto ich vysiela). Singularita, ktorá nie je obklopená horizontom, sa nazýva nahá singularita, a pre pozorovateľa pod vnútorným horizontom sa singularita javí ako nahá. (Matematicky hovoríme, že Schwarzschildova singularita je priestorupodobná, kým Riessnerova-Nordstromova singularita je časupodobná).
Vzdialenosť medzi vonkajším a vnútorným horizontom závisí od náboja čiernej diery. Čím je väčší, tým bližšie oba horizonty sú. Ak náboj čiernej diery dosiahne určitú kritickú hodnotu (vo vhodných jednotkách je tento kritický náboj presne rovný hmotnosti čiernej diery), oba horizonty splynú. V takom prípade hovoríme o extremálnej čiernej diere. Extremálne čierne diery majú viaceré špeciálne vlastnosti. Mimo iné sú extrémne čierny diery predmetom záujmu v teórii strún, pretože vďaka vysokej symetrii takýchto čiernych dier ich dokážu "strunári" modelovať pomocou presných riešení (Reissnerovo-Nordstromovo riešenie je tiež presné, ale klasické, teda bez kvantových efektov, kým v strunovej teórii sú kvantové efekty podstatné).
Ak by mala čierna diera ešte väčší náboj, než je táto kritická hodnota, oba horizonty by zanikli a singularita uprostred čiernej diery by sa stala nahá, teda bez horizontov, ktoré ju obklopujú. To je v princípe možné, ale všeobecne sa verí, že k tomu nedochádza. Tzv. Penroseova hypotéza kozmickej cenzúry hovorí, že pri realistickom kolapse reálnej hviezdy vždy vznikne singularita obklopená horizontom udalostí, teda čierna diera. Poznáme síce modely, kedy nahá singularita vznikne, ale považujeme ich za nerealistické. Penroseova hypotéza však nie je dokázaná a tak nie je úplne vylúčené, že nahé singularity v prírode vznikajú. Pre tento text je podstatné, že nabitá čierna diera danej hmotnosti môže byť nabitá, ale nie ľubovoľne: existuje horná hranica pre náboj. Čierna diera s takýmto hraničným nábojom sa nazýva extrémna a vyznačuje sa tým, že vonkajší a vnútorný horizont splývajú. Väčší náboj čierna diera mať nemôže, inak by vznikla nahá singularita.
Hoci je Reissnerovo-Nordstromovo riešenie pre nabitú čiernu dieru veľmi zaujímavé, má pramalý fyzikálny význam. Reálne čierne diery totiž vznikajú kolapsom veľmi hmotných hviezd (hypoteticky existujú i tzv. primordiálne čierne diery, ktoré mohli rôznymi procesmi vzniknúť tesne po veľkom tresku, ale ich existencia nie je dokázaná a nič pre ich existenciu nesvedčí). Reálne hviezdy vznikajú (či vznikali) typicky z veľkých oblakov rotujúceho plynu, ktorý vlastnou gravitáciou skolaboval a vytvoril hviezdu. Vo fyzike platí zákon zachovania hybnosti, podľa ktorého sa rotácia nemôže stratiť (vágne povedané), takže ak pôvodný oblak rotoval, musí aj vzniknutá hviezda rotovať. Keď potom kolabuje samotná hviezda, môže odvrhnúť nejaký materiál preč a tento materiál môže niesť nejaký moment hybnosti (rotáciu). Ale nejaká rotácia hviezde vždy zostane, takže ak skolabuje hviezda do čiernej diery, musí stále mať nejaký moment hybnosti a teda rotovať. Fyzikálne je teda vylúčené, aby existovali nerotujúce čierne diery; reálne čierne diery vždy rotujú.
Kerrova-Newmanova čierna diera
Ale riešenie Einsteinových rovníc, ktoré by popisovalo rotujúcu, realistickú čiernu dieru, dlho nebolo známe. Našiel ho až Roy Kerr, novozélandský fyzik, hoci jeho autorstvo je trochu otázne. Bolo to tak, že ono riešenie našiel Ted Ezra Newman, americký fyzik, a poslal článok s riešením do časopisu. Recenzentom bol práve Kerr a ten si všimol, že v odvodení sú nejaké chyby. Článok zamietol, a sám rýchlo opravil chyby a publikoval správne riešenie. Preto dnes hovoríme o Kerrovej čiernej diere alebo o Kerrovom riešení. Je to trochu nespravodlivé, pretože Kerr už potom nijak zásadne do fyziky neprispel, zatiaľčo Ted Newman má na svojom konte celú plejádu fundamentálnych príspevkov. Po Kerrovej publikácii sa však Newman zase "hecol" a zovšeobecnil Kerrove riešenie na prípad nabitej rotujúcej čiernej diery. Toto riešenie sa spravodlivo nazýva Newmanovo riešenie, takže nabitá a rotujúca čierna diera sa dnes nazýva Kerrova-Newmanova čierna diera, kým nenabitá rotujúca čierna diera sa nazýva Kerrova. Túto historku rozpráva i sám Kerr, takže je zrejme pravdivá :)
Nakoniec teda všetko dobre dopadlo a riešenie pre rotujúcu čiernu dieru máme. Toto riešenie je podstatne, podstatne komplikovanejšie, než pôvodné Schwarzschildovo a Reissnerovo-Nordstromovo, a je aj komplikovanejšie pochopiť jeho vlastnosti. Aj Kerrova čierna diera má dva horizonty (ako nerotujúca nabitá), ale okrem toho je v okolí vonkajšieho horizontu nová oblasť, tzv. ergosféra. Ak sa nešťastník-fyzik dostane na vonkajší horizont, musí padať až k vnútornému horizontu. Ak zostáva v ergosfére, motory jeho rakety ho môžu udržať nad horizontom, ale objavuje sa nový efekt, tzv. frame-dragging. To znamená, že raketa v ergosfére nemôže zostávať na jednom mieste, ale musí rotovať spolu s čiernou dierou. Tento efekt existuje aj nad ergosférou, ale v ergosfére mu nejde vzdorovať.
Kerr-Newmanova čierna diera je určená troma parametrami: hmotnosťou M, nábojom Q, a rýchlosťou rotácie a. Parameter a sa v mnohých ohľadoch podobá náboju. Pre danú hmotnosť čiernej diery existuje istá medzná hodnota rotácie a, pre ktorú oba horizonty Kerrovej čiernej diery splynú. Hovoríme opäť o extremálnej čiernej diere. Rýchlejšie už rotovať čierna diera nemôže, inak by vznikla nahá singularita a to, ako veríme, nemôže nastať.
Čierna diera nemá vlasy
Napísal som, že Schwarzschildova (alebo R-N) čierna diera je nerealistická, pretože nerotuje a v prírode čierne diery rotujú. Môžeme sa pýtať: nakoľko realistické je Kerr-Newmanovo riešenie? Popisuje už toto riešenie realistické čierne diery?
Dá sa matematicky ukázať, že ak kolabuje nerotujúca hviezda a vytvorí čiernu dieru, je to nutne tá Schwarzschildova. Inými slovami, jediné možné riešenie popisujúce nerotujúce čierne diery je to Schwarzschildovo. Schwarzschildova čierna diera nemá náboj Q ani rotáciu a, takže ak poznáme hmotnosť M, vieme o nerotujúcej diere všetko. (V literatúre nájdeme toto tvrdenie pod heslom Birkhoffova teoréma, hoci jej pôvodné znenie je trochu iné).
S Kerrovou čiernou dierou je to zložitejšie. Nevieme ukázať, že kolabujúca rotujúca hviezda vytvorí nutne Kerrovu čiernu dieru. Rotácia komplikuje matematický dôkaz veľmi výrazne, až tak, že nevieme, čo s tým. Existujú síce rôzne perturbatívne modely, ale to nie je definitívny dôkaz.
Existuje však iný dôkaz, a jeho existencia je podľa mňa jedna z najkrajších vecí v teórii relativity. Hovorí, že ak sa vytvorí čierna diera, ktorá rotuje, má slušný horizont udalostí a v okolí čiernej diery je priestoročas bez singularity, potom je táto čierna diera nutne Kerr-Newmanova.
Toto je veľmi silný výsledok. Nie je tak silný ako v prípade Schwarzschilda, pretože nezahrnuje popis kolapsu rotujúcej hviezdy do Kerrovej čiernej diery. Teda v princípe nevieme povedať, či kolabujúca rotujúca hviezda skončí ako Kerrova čierna diera. Ale vieme, že ak sa vytvorí rotujúca čierna diera, pričom táto má jedinú singularitu vnútri, ale žiadne nad horizontom, potom je to Kerrova čierna diera a iná možnosť neexistuje.
Možno to neznie tak svetoborne, ale je to brutálne silný výsledok. V praxi to znamená, že čierna diera je popísaná len troma parametrami, ktoré som už vymenoval: hmotnosť, rýchlosť rotácie a náboj. Uvedomme si, že nič podobné neplatí pre hviezdy. Hviezda má tvar, jej gravitačné pole závisí od jej tvaru, od procesov, ktoré sa vnútri hviezdy dejú, a tak ďalej. U čiernej diery je to omnoho jednoduchšie. Stačia nám tri parametre, aby sme vedeli o čiernej diere úplne všetko.
Toto tvrdenie je v literatúre známe ako "no-hair theorem", vo voľnom preklade "čierna diera nemá vlasy". Tým sa myslí to, že ak kolabuje hviezda, výsledok nezávisí od detailov, od vlastností hviezdy, atď, ale len od hmotnosti, rýchlosti rotácie a náboja. Všetko sú to zachovávajúce sa veličiny, takže od nich vlastnosti čiernych dier musia závisieť. Fascinujúce je, že od ničoho ďalšieho už vlastnosti čiernej diery nezávisia.
Preto sa hovorí, že čierna diera nemá vlasy. Tento termín vymyslel John Wheeler, americký fyzik veľkého vplyvu (mimo iné učiteľ Richarda Feynmana). Z čiernej diery nepoznáte, ako vznikla, neviete povedať nič o tom, aká bola hviezda, ktorá skolabovala. Čierna diera nemá vlasy, teda nemá žiadne vlastnosti, z ktorých by ste mohli zistiť niečo podstatné o jej pôvode.
Ako môj nemecký kolega rád hovorí, správnejší názov by znel: "three-hair theorem", teda čierna diera má 3 vlasy. Tými troma vlasmi sa myslia práve hmotnosť, rotácia a náboj. Nedávno bola v Prahe konferencia o matematickej relativite a jeden z účastníkov hovoril práve o "no-hair theorem". Vtipné bolo, že bol úplne vyholený, takže si predstavte fotku človeka, ktorý nemá ani jeden vlas a jeho príspevok znie "Čierna diera nemá vlasy". Priznám sa, že som jeho prednášku nevnímal a sústredil sa výhradne na túto podobnosť medzi jeho hlavou a názvom jeho prednášky.
Dnes je moderné študovať čierne diery vo všeobecnejších situáciách a v iných teóriách, než je teória relativity. Sú to veľmi zaujímavé veci. Strunová teória napríklad predpovedá, že priestor má v skutočnosti viac rozmerov než 3, na ktoré sme zvyknutí. Preto ľudia začali študovať čierne diery vo viac než troch rozmeroch. Ukazuje sa, že v týchto prípadoch čierne diery nie sú tak jednoznačné. Existujú tiež čierne struny, čierne prstence, atď. Ja osobne vo viac rozmerov neverím, ale považujem za zaujímavé a dôležité pochopiť, ako by sa svet choval, keby mal inú dimenziu. Iní ľudia zase vo viac rozmerov veria, a mnoho z nich je chytrejších než ja, takže sa nechcem hádať :)
Ale aj v štandardnej teórii relativity existujú čierne diery s vlasmi ("hairy black holes"). Existujú riešenia, kedy kolabujúca hmota vytvorí čiernu dieru, ktorá má viac parametrov, než tie, ktoré som zmienil (typicky sa jedná o riešenia so skalárnym poľom).
Niekedy sa tiež uvažujú čierne diery, ktoré u charakterizované 4, 5 alebo viac parametrami. Ľudia, ktorí takéto riešenia nachádzajú, hovoria, že "no-hair theorem" neplatí. Ale podľa mňa to obchádza pointu. Typický fyzikálny objekt je popísaný nekonečným množstvom parametrov: tvarom, rozložením hmotnosti, hybnosti, momentu hybnosti, to všetko sú veličiny, ktoré vyžadujú nekonečný počet údajov. Napríklad tvar telesa nemôžete popísať inak, než tým, že presne popíšete polohu každého bodu. Bodov je nekonečne veľa, takže (aspoň na klasickej úrovni), tvar telesa vyžaduje nekonečný počet údajov. V praxi nemôžeme udať nekonečne veľa parametrov, takže udáme len niekoľko (je to niečo ako guľa, ale sploštené), lenže to je vždy len zjednodušenie, aproximácia. Zmysel "no-hair theorem" je v tom, že u čiernej diery to nie je priblíženie. Ak poznáte uvedené tri parametre (alebo 4, alebo 5, to už je jedno), viete o čiernej diere všetko.
Špinavé čierne diery
Všetky riešenia, ktoré som popísal, predstavujú tzv. vákuové riešenia, prípadne riešenia s elektromagnetickým poľom. To znamená, že v okolí takej čiernej diery nesmie byť žiadna hmota. To je do určitej miery realistické, ale vo vesmíre sa typicky vyskytuje iná situácia. Čierna diera je často súčasťou dvojhviezdy, pričom jej kolegyňa je opäť čierna diera, alebo neutrónová hviezda, či hviezda celkom obyčajná. V takom prípade gravitácia čiernej diery odsáva z kolegyně jej hmotu. Okolo čiernej diery sa potom tvorí tzv. akrečný disk, teda tenký, ale široký pás hmoty, ktorý postupne do čiernej diery padá.
Takáto situácia nie je v Kerr-Newmanovom riešení zahrnutá! Vyriešiť Einsteinove rovnice s akrečným diskom je šialene ťažká vec. Existujú síce nejaké riešenia, ale tie vždy predpokladajú nejaké podstatné zjednodušenie, napríklad že ten akrečný disk je nekonečne tenký. Alebo existujú "chirurgické" metódy, kedy sa vezme Schwarzschildova čierna diera, z toho riešenia sa "vyreže" kus, a zostávajúce časti priestoročasu sa zlepia dohromady (popisujem to veľmi vágne, ale bolo by to na ďalšiu sériu článkov). Ale presné riešenie s akrečným diskom je hudba budúcnosti, ak je to vôbec možné.
Preto sa štandardne postupuje inak. Vezme sa Kerrova čierna diera, a predpokladá sa, že hmotnosť akrečného disku je tak malá, že príliš neovplyvňuje geometriu okolo čiernej diery. Vtedy sa dajú rovnice doriešiť buď presne, alebo s pomocou počítača, a venuje sa tomu množstvo ľudí už x rokov, a stále hľadajú presnejšie a presnejšie riešenia.
Čierne diery, ktoré majú okolo seba nejakú hmotu, akrečný disk, sa "slangovo" označujú ako špinavé čierne diery. Nepoznáme presné riešenie, ktoré by popisovalo realistickú špinavú čiernu dieru. Máme len množstvo odhadov založených na približných metódach a približných simuláciách. Tým nechcem nijak znevažovať tento smer výskumu: jedná sa o vskutku brilantné a sofistikované teórie, spojené s neuveriteľnou počítačovou a programátorskou zručnosťou, robia to nesmierne chytrí ľudia. Len to nie sú presné riešenia.
Meissnerov efekt
Potom, čo som opísal základné riešenia popisujúce čierne diery, ich fyzikálnu interpretáciu a zároveň obmedzenia, chcem sa vrátiť k hlavnej náplni článku. To je Meissnerov efekt a jeho detailný popis musím odložiť na pokračovanie článku. Takže len naznačím.
Existujú materiály známe ako supravodiče, ktorých elektrický odpor za určitých okolností klesá k nule. Takéto materiály v supravodivom stave majú tú vlastnosť, že magnetické pole do nich neprenikne. Inými slovami, supravodiče vypudzujú magnetické polia. To sa nazýva Meissnerov(-Ochsenfeldov) efekt.
U čiernych dier sa pomerne skoro zistilo, že majú elektrické a magnetické vlastnosti, napríklad elektrický odpor. V roku 1974 významný relativista Robert Wald našiel riešenie, ktoré popisuje magnetické pole v okolí Kerrovej čiernej diery. Zistil, že keď sa čierna diera stane extrémnou (pripomínam, že to znamená, že rotuje maximálnou rýchlosťou), chová sa ako supravodič a vypudzuje vonkajšie magnetické polia. V analógii so supravodičmi sa to nazvalo Meissnerov efekt.
Tento výsledok nezaznamenal príliš veľký ohlas, ale Meissnerovmu efektu pre čierne diery sa začal venovať prof. Jiří Bičák, môj bývalý školiteľ. Napísal spolu s ďalšími ľuďmi množstvo článkov v ktorých dokazovali, že Meissnerov efekt funguje pre veľké množstvo fyzikálne zaujímavých prípadov.V podstate sa dá povedať, že vďaka prácam Jirky Bičáka vstúpil Meissnerov efekt do povedomia komunity relativistických fyzikov.
Sám osebe nie je tento efekt príliš zaujímavý, ale pred asi 10 rokmi si ľudia uvedomili, že môže mať dôležité fyzikálne dôsledky. Ako vysvetlím v budúcom článku, niektoré aktívne galaktické jadrá (teda čierne diery) spôsobujú tzv. jety, teda výtrysky hmoty. Nie je úplne jasné, ako tieto jety vznikajú, ale asi v 70tych rokoch navrhli fyzici Blandford a Znajek mechanizmus, ktorý to vysvetľuje ako dôsledok magnetického poľa v okolí čiernej diery. Detaily prídu nabudúce, ale v zásade ide o to, že hmota padajúca do čiernej diery môže získať energiu na úkor rotácie čiernej diery, a opustiť okolie čiernej diery vo forme výtrysku, jetu.
Tento tzv. Blandford-Znajekov efekt je v súčasnosti pomerne akceptovaným vysvetlením vzniku jetov. Čím rýchlejšie čierna diera rotuje, tým väčší je resevoir jej energie, takže tým väčšia by mala byť efektivita jetov. Na druhej strane, Meissnerov efekt hovorí, že čím rýchlejšie čierna diera rotuje, tým silnejšie vypudzuje magnetické pole a teda efektivita jetov by mala klesať. Astrofyzikálne rozumbrady teda posledných 10 rokov riešia, či je Meissnerov efekt pre tvorbu jetov dôležitý, alebo nie.
Ale hlavne, nevie sa, či Meissnerov efekt skutočne existuje! Ako som napísal, Bičák a spolupracovníci, ale i ďalší ľudia analyzovali Meissnerov efekt v mnohých prípadoch, ale vždy sa jednalo o aproximácie. Vzali Kerrovu čiernu dieru, okolo nej testovacie pole. Alebo vzali Melvinov magnetický vesmír (je to proste jedno z riešení Einsteinových rovníc) a uvažovali blízkohorizontovú geometriu. Ukázali, kedy Meissnerov efekt existuje a kedy nie, rozoberiem to v budúcom článku.
My sme s kolegom pôvodne uvažovali, že by sme mohli zovšeobecniť "no-hair theorem" pre špinavé čierne diery. Ale ako vedľajší produkt nás napadlo, že formalizmus, ktorý používame (Ashtekar, Lewandowski, weakly isolated horizons), by mohol dať nejakú odpoveď na existenciu Meissnerovho efektu.
Náš výsledok ide za rámec aproximácií. Ukázali sme matematicky, že aj keď čierna diera nie je Kerr-Newmanova, ale úplne všeobecná, môže mať okolo seba akrečný diska alebo čokoľvek, tak Meissnerov efekt existuje: pre maximálne rotujúcu čiernu dieru je magnetické pole vypudzované z jej horizontu.
To zdanlivo podporuje tézu, že Meissnerov efekt tlmí efektivitu galaktických jetov. My sme však spočítali efektivitu týchto jetov v závislosti na rýchlosti rotácie čiernej diery, a zistili sme, že efektivita jetov naopak rastie, keď sa rýchlosť rotácie čiernej diery zväčšuje. Keď čierna diera dosiahne 95% maximálne možnej rotácie, je efektivita jetov maximálna. Astrofyzikálne pozorovania a numerické simulácie ukazujú, že množstvo čiernych dier rotuje veľmi rýchlo, ale nie úplne maximálne. Takže pre veľké množstvo čiernych dier je efektivita jetov blízko maxima. Ak bude čierna diera rotovať 98% rýchlosťou, stále bude efektivita jetov asi 50%. Až nad touto extrémne vysokou hodnotou rotácie začne byť dôležitý Meissnerov efekt a efektivita jetov sa prudko tlmí, takže pre čiernu dieru rotujúcu rýchlosťou 100% je efektivita jetov nulová. Lenže také čierne diery sa nevyskytujú, a keď, tak len výnimočne (sám nie som veľmi zbehlý v astronomických dátach).
Aby som to zhrnul, ukázali sme, že Meissnerov efekt skutočne existuje a extrémne čierne diery sa chovajú ako supravodiče v tom zmysle, že vypudzujú magnetické pole. To má vplyv na efektivitu výtryskov z aktívnych galaktických jadier. Ukázali sme však, že efektivita týchto výtryskov rastie s rýchlosťou rotácie čiernej diery. Až keď čierna diera prekročí asi 98% rýchlosti rotácie, efektivita výtryskov prudko klesá. Meissnerov efekt teda tlmí efektivitu jetov, ale až pre čierne diery rotujúce takmer maximálnou rýchlosťou.
Pekné na tom je, že samotný dôkaz Meissnerovho efektu je čiste matematický, ale má aplikácie v reálnej astrofyzike, čo sa nám teoretikom často nestáva :) Detaily, pikošky a zákulisné informácie podám v nasledujúcich článkoch :)
Ďakujem za pozornosť.
