Superpočítače a atomy skrývající tajemství černých děr

Profesor astronomie Anil Pradhan se svým týmem využil superpočítačů k provedení těch nejpřesnějších výpočtů vlastností horkých atomů. Výsledek pomůže astronomům, zvláště těm, kteří pátrají po černých děrách, aby měli lepší představu o tom, co přesně vidí, když rentgenovými teleskopy zkoumají hmotu spočívající ve vzdáleném vesmíru, v jádrech galaxií.

O svém výzkumu píší v zářijovém vydání časopisu Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. Přesto, že jde o odborný článek plný technických prvků, pojednává o něčem, v čem se splétá dohromady atomová fyzika, Einsteinova teorie relativity, moderní astronomická pozorování a některé z nejrychlejších superpočítačů světa.

Astronomové pozorovali již moře horkých atomů v podobě plazmatu kroužícího kolem center velmi jasných galaxií, tzv. aktivních galaxií. Jak vědci věří, plazma je ukazatelem přítomnosti obří černé díry. Samotná černá díra je neviditelná, ale prozradí ji rentgenové záření vydávané přehřátým plynem, který do ní padá.

Předtím, než kdokoli definitivně dokáže, zda aktivní galaxie opravdu černé díry obsahují, je třeba velmi přesně změřit energetické hladiny vzbuzených atomů v plazmatu a výsledky měření srovnat s tím, co už vědci vědí z atomové fyziky. Pradhan uznává, že zajistit přesnost údajů z měření vlastností atomů nezní jako ta nejvíce vzrušující práce v astronomii, ovšem zároveň upozorňuje na její důležitost.

"Většina astronomů považuje za samozřejmé, že údaje o atomech, kterých se dovolávají, jsou správné. Potřebují to k vyhodnocení svých pozorování," říká.

Anil Pradhan na problému pracoval 30 let. Jeho snažení podnítily nové, velmi kvalitní a přesné údaje z rentgenových satelitů Chandra a XMM-Newton. Jelikož věřil, že takto kvalitní pozorování se neobejde bez přesných informací o přítomných atomech, rozhodl se se svým týmem provést ty nejpřesnější možné výpočty.

Po roce stráveném psaním kódů programu a tisících hodinách, během kterých probíhaly výpočty v Ohijském superpočítačovém centru, konečně dostali údaje o energetických hladinách atomů v prostředí s vysokou teplotou. Spočetli energetické hladiny prvků ležících v tabulce mezi uhlíkem a železem, které se v přehřátém plazmatu vyskytují nejčastěji.

Některé z předchozích přijímaných hodnot těchto atomů byly zatíženy chybou pohybující se od 30 až k 300 procentům. Nové výpočty přicházejí s chybou pouhých několika procent. To značí, že astronomové studující rentgenové snímky kosmických těles budou mít lepší představu o tom, jaké atomy tvoří pozorovanou hmotu a lepší přehled o fyzikálních podmínkách uvnitř objektů.

"Lovci černých děr" se nejvíce zajímají o železo - zde se na scénu dostává Einsteinova obecná teorie relativity.

Nesmírně silná gravitace černé díry by podle obecné teorie relativity měla z pohledu ze Země zkreslit rentgenový signál, a to obzvláště u atomů železa. Signál je představován spektrem záření a vypadá jako řada čar, které odpovídají jednotlivým atomům. Zvláště jedna čára, zvaná K-alfa čára železa, u rentgenového záření vycházejícího z jádra aktivních galaxií vypadá širší a často bývá hlavním ukazatelem přítomnosti černé díry.

Před třiceti lety Pradhan, Nahar a jejich kolegové začali studii zvanou Iron Project (Projekt Železo). Jejich cílem je jednak zjistit, proč je K-alfa čára železa širší a co z toho plyne pro rentgenovou astronomii.

"Nejpřímějším důkazem černé díry je přítomnost čáry K-alfa," říká Pradhan. "Takže je velmi důležité zjistit, zda byla rozšířena v důsledku přítomnosti černé díry, nebo zda existuje jiná příčina."