Akreční disk je klíčovým nástrojem pro naše studium černých děr. Téměř vše, co jsme se o černých dírách dozvěděli, jsme se naučili díky akrečním diskům. Proč? Jedna věc změnila astronomii od základů, když si lidé uvědomili, že ve vesmíru je toho k vidění více, než co jim do té doby umožňovaly optické dalekohledy. Zjistili, že viditelné světlo je jen malým zlomkem celého elektromagnetického spektra a že informace putují vesmírem na mnoha vlnových délkách od rádiových, přes mikrovlnné, infračervené, optické, ultrafialové, rentgenové až po gama záření. Od té doby jsme se vše, co víme o vesmíru, dozvěděli z elektromagnetického záření. Černé díry však žádné záření neprodukují, a to by znemožnilo jejich studium, kdyby kolem sebe neměly akreční disky. Právě tyto disky ve skutečnosti pozorujeme a z toho odvozujeme vlastnosti jejich centrálních gravitačních objektů.

Akrece a akreční disky

Akrece je proces růstu hmotného objektu gravitačním přitahováním a shromažďováním dalšího materiálu. Obvykle se tak děje prostřednictvím diskovité struktury rozptýleného materiálu nebo plynu, který je v orbitálním pohybu kolem centrálního akrečního objektu. Akreční disky jsou ve vesmíru všudypřítomné a lze je nalézt kolem menších hvězd nebo hvězdných pozůstatků, v těsných dvojhvězdách, v centrech spirálních galaxií, v kvazarech, vznikají také v záblescích záření gama.

Akrece může mít mnoho podob. Může být sférická nebo rovinná. Může být trvalá nebo epizodická. Obvyklý scénář akrece spočívá v tom, že materiál proudí z jednoho nebeského objektu na druhý. Pak existuje preferovaný směr daný rovinou oběhu obou těles. Tok se také drží této roviny, ale netáhne se přímo od jednoho tělesa k druhému, protože má určitý úhlový moment z oběžného pohybu obou těles. Corriolisova síla ho trochu odstrčí stranou a vytvoří kolem cílového objektu disk.

Takto se materiál hromadí v hustém rotujícím akrečním disku obíhajícím kolem černé díry, hvězdy nebo jiného gravitačního objektu. Tření mezi přilehlými vrstvami způsobuje zahřívání plynu v disku, protože jeho potenciální energie se pomalu rozptyluje na teplo. Plyn také ztrácí úhlový moment, což mu umožňuje přiblížit se k centrálnímu objektu a obíhat rychleji. Rychlejší pohyb má za následek větší tření, a protože se plyn velmi zahřívá, vyzařuje energii. Záleží na hmotnosti centrálního objektu, jaké teploty může disk dosáhnout, čím je hmotnější, tím nižší teplotu disk má. Disky kolem černých děr o hvězdné hmotnosti mají teplotu kolem milionů kelvinů a vyzařují v rentgenovém záření, disky kolem supermasivních černých děr mají teplotu kolem tisíců kelvinů a vyzařují v optickém nebo ultrafialovém světle.

Jak si představit akreční disk

Akreční disk si můžeme představit jako starou dobrou gramofonovou desku. Překvapivě má mnoho vlastností akrečního disku. Když začneme přehrávat desku, umístíme jehlu na vnější okraj disku. Tam také vstupuje hmota do akrečního disku – na jeho okraj. Jehla pak sleduje velmi těsnou spirálovou drážku, protože pod ní běží vinylová deska a přehrává se hudba. Můžete vidět, jak se jehla velmi pomalu posouvá směrem ke středu plotny, zatímco mnohokrát obíhá plotnu. Totéž platí pro akreční disk. Částice hmoty, která vstoupila do disku, musí ztratit svůj úhlový moment hybnosti. Zatímco tak činí výměnou s ostatními částicemi v okolí, běží stále dokola mnohokrát po keplerovské dráze jako planeta kolem Slunce.

Gramofonová deska může hrát 45 minut, hmotě trvá týdny nebo roky (v závislosti na velikosti disku), než se snese z vnější strany k jeho vnitřnímu okraji. Jakmile deska skončí a jehla dosáhne konce stopy, spirálová drážka se rychle odvíjí, čímž se raménko dostane do polohy, kdy se zastaví. U akrečních disků s černými dírami dochází k podobnému jevu. Zdůrazňujeme, že se zde musí jednat o akreční disky kolem černých děr, protože tento efekt je relativistický a projevuje se pouze v dostatečně silném gravitačním poli kolem kompaktních objektů, jako jsou černé díry nebo třeba neutronové hvězdy. Dochází k tomu, že při určitém poloměru, již poměrně blízko centrální černé díry, částice hmoty již nemohou obíhat po kruhových keplerovských trajektoriích. Takové trajektorie přestávají být v důsledku efektů obecné relativity stabilní a od tohoto okamžiku se částice nachází na otevřené spirále volného pádu, která ji během několika obletů dovede rychlostí blízkou rychlosti světla až k horizontu událostí, kde její dlouhá cesta končí.

Ukazuje se, že existence této zvláštní vlastnosti disku, kde neexistují stabilní keplerovské trajektorie, má velmi velký význam. Protože hmota může v disku klidně obíhat všude mimo toto zvláštní místo, ale ne uvnitř, znamená to, že se ukazuje, že disk má v sobě “díru”. Velikost této díry závisí pouze na vlastnostech centrální černé díry (její hmotnosti a rotaci). Pokud by se nám tedy podařilo změřit velikost díry, mohli bychom odvodit vlastnosti samotné černé díry. Jak vzrušující! A skutečně, astronomové přišli s několika nápady, jak přesně to udělat.