Vědci přirovnávají černé díry ke „kosmickým mitochondriím“ přeměňujícím hmotu na energii

Černé díry patří k nejextrémnějším objektům ve vesmíru, ale nová studie připomíná, že nejsou jen pasivními propastmi pohlcujícími vše kolem sebe. Vědci je přirovnávají k jakýmsi „kosmickým mitochondriím“ – buněčným strukturám, které v živých organismech přeměňují živiny na energii. Podobně černé díry dokážou přeměňovat svou extrémní gravitaci a okolní hmotu na obrovské množství energie, která pohání jedny z nejjasnějších a nejenergetičtějších jevů pozorovaných ve vesmíru.

Samotná černá díra, tedy oblast za horizontem událostí, energii „nevyrábí“. Skutečným zdrojem je materiál, který ji obklopuje – superhřátá plasma v takzvaných akrečních discích. Tato plasma vzniká z plynu, prachu a dalších zbytků hmoty, které jsou gravitací černé díry nejprve strhávány na oběžnou dráhu, než se postupně snášejí směrem k horizontu událostí. Při tomto pádu se materiál v discích tře, stlačuje a zahřívá na teploty dosahující milionů stupňů. Právě tento proces generuje obrovské množství záření, díky kterému jsou aktivní galaktická jádra a kvasary viditelné na vzdálenost miliard světelných let.

Klíčovou roli v celém mechanismu hrají mimořádně silná magnetická pole, která se v akrečních discích vytvářejí interakcí s touto žhavou plasmou. Magnetická pole se v turbulentním prostředí disku zamotávají, zesilují a dokážou urychlovat nabité částice na rychlosti blízké rychlosti světla. Tato kombinace gravitace, rotace a magnetismu je považována za hnací motor výtrysků, tedy úzce soustředěných proudů hmoty a záření, které některé černé díry vystřelují kolmo na rovinu akrečního disku do vzdálenosti mnoha tisíc světelných let.

Vedle tohoto dobře zdokumentovaného mechanismu se vědci dlouhodobě zajímají ještě o jeden, teoretičtější způsob, jak mohou černé díry uvolňovat energii – takzvaný Penroseův proces. Tento koncept navrhl již v minulém století britský fyzik a matematik Roger Penrose a týká se rotujících černých děr, konkrétně oblasti kolem nich zvané ergosféra. V ergosféře je prostoročas tak silně deformován rotací černé díry, že žádný objekt v něm nemůže zůstat v klidu vzhledem ke vzdálenému pozorovateli – je doslova strháván společně s rotující černou dírou.

Podle Penroseovy teorie by částice vstupující do ergosféry mohla za určitých podmínek rozpadnout na dvě části. Jedna z nich by padla do černé díry, zatímco druhá by mohla ergosféru opustit s vyšší energií, než měla původní částice. Tento přebytek energie by byl fakticky odebrán z rotační energie samotné černé díry, která by se tím nepatrně zpomalila. Jde o jeden z mála teoreticky popsaných způsobů, jak extrahovat energii přímo z rotace černé díry, nikoliv jen z okolní hmoty.

Problémem dosud bylo, že Penroseův proces byl především matematickou konstrukcí, pro kterou chyběl přímý pozorovací důkaz. Nová studie se proto zaměřuje na hledání možné pozorovatelné signatury tohoto jevu ve skutečných datech z černých děr. Vědci zkoumají, zda by specifická kombinace energie, rychlosti a směru pohybu částic a záření v blízkém okolí rotujících černých děr mohla nést charakteristickou stopu odpovídající právě Penroseovu mechanismu, odlišnou od efektů způsobených pouze akrečním diskem a magnetickými poli.

Pokud by se takovou signaturu podařilo jednoznačně identifikovat, znamenalo by to první přímé potvrzení procesu, který byl dosud považován spíše za teoretickou možnost. Zároveň by to otevřelo nové možnosti pro studium fyziky extrémní gravitace a chování hmoty v bezprostřední blízkosti horizontu událostí.

Výzkum černých děr jako zdrojů energie tak spojuje dva přístupy – dobře prozkoumaný mechanismus přeměny hmoty v akrečních discích a stále ještě ne zcela potvrzenou možnost čerpání energie přímo z rotace samotné černé díry. Oba procesy dohromady pomáhají vysvětlit, proč patří oblasti kolem černých děr k energeticky nejbohatším místům ve známém vesmíru.