Projekt studentské grantové soutěže SGS/1/2010

Černé díry, galaktická jádra, neutronové a podivné hvězdy: analýza a modelování astrofyzikálních observací

Řešitel: RNDr. Gabriel Török, Ph.D.

Spoluřešitelé: RNDr. Pavel Bakala, Ph.D., RNDr. Eva Šrámková, Ph.D., Mgr. Martin Urbanec, Ph.D., Ing. Mgr. Andrea Kotrlová, Ing. Dalibor Wzientek, Bc. Petr Čech, Bc. Martin Wildner a Mgr. Gabriela Chlopčíková

Anotace

Projekty Studentské grantové soutěže zintenzivňují zapojení studentů magisterských a doktorských programů do specifického výzkumu prováděného v Opavě. V rámci projektu SGS/1/2010 hodláme pokračovat ve výzkumu problémů týkajících se astrofyzikálních procesů uvnitř a v okolí tzv. kompaktních objektů (černých děr, neutronových a podivných hvězd) a jejich souvislostí s proměnností  rentgenového záření pozorovaného prostřednictvím satelitních detektorů. Výzkum těchto dat a procesů je klíčový a široce diskutovaný v kontextu mezinárodní astrofyzikální vědy, především pak v oblasti extrémních předpovědí Einsteinovy obecné teorie relativity. Zároveň je však zcela specifický v kontextu astrofyziky v České republice.

Einsteinova gravitační teorie a související koncept černých děr (a potažmo i neutronových či podivných hvězd, souhrnně označovaných jako kompaktní objekty) patří k nejpozoruhodnějším výtvorům lidské mysli. Studium kompaktních objektů je důležité pro moderní teoretickou fyziku, neboť umožňuje testovat naše znalosti fundamentálních vlastností prostoru a času. Teorie černých děr se nachází ve stádiu vysokého rozvoje a prochází obdobím intenzivních observačních testů založených na pozorování procesů v extrémním gravitačním poli v jejich těsné blízkosti. Teorie struktury neutronových hvězd a kvarkových hvězd na úrovni základního hrubého popisu je rovněž již velmi propracovaná. Při určování vlastností neutronových a podivných či hybridních hvězd se mixují efekty mikrofyziky a silného gravitačního pole (teorie relativity určuje rovnice struktury objektů, stavové rovnice hmoty jsou dány částicovou fyzikou). Studium vlastností kompaktních objektů tedy zahrnuje jak testování teoretických částicových modelů tak testování Einsteinovy gravitační teorie. Vzhledem k tomuto aktuálnímu stavu a existující široké škále modelů neutronových hvězd se v současnosti jako vysoce žádoucí jeví rovněž maximální možná konfrontace s dostupnými pozorováními.

Limita slabého pole Einsteinovy teorie již byla ověřena pravděpodobně mnohem lépe něž jakákoliv jiná fyzikální teorie. Avšak nejzajímavější a bizarní předpovědi Einsteinovy teorie nemají co do činění se slabým polem, nýbrž s režimem extrémně silného pole, jenž díky omezeným technickým možnostem dosud nebyl příliš ověřován. Takže základní otázka: "Měl Einstein pravdu?" zůstává nezodpovězena.

Testování supersilné gravitace nelze provádět v pozemských laboratořích. Centrální oblasti černých děr a neutronových hvězd mají pro takové testy dostatečně silnou gravitaci, současné přístroje je ovšem nemohou prostorově rozlišit. Akreční disky vznikající za vhodných podmínek v jejich okolí nicméně přeci jen poskytují energii pro záření pozorovatelné prostřednictvím pozemských, především však pak satelitních detektorů.

Astrofyzikálních procesy v poli kompaktních objektů a jejich akreční disky spolu s časovou i spektrální proměnnosti emitovaného záření tak představují dlouhodobě velmi slibné pole vědeckého výzkumu v gravitační a částicové fyzice. Význam této oblasti v poslední době ještě výrazně narůstá neboť studium rentgenového záření zároveň představuje aktuálně prakticky jedinou alternativu k velmi drahým a zatím technicky nepříliš úspěšným studiím tzv. gravitačních vln rovněž predikovaných Einsteinovou gravitační teorií.

Projekt umožní maximálně zintenzivnit zapojení studentů magisterského a doktorského studia do špičkového mezinárodního výzkumu výše nastíněné problematiky. Při jeho realizaci lze velmi dobře stavět na existující spolupráci s řadou prestižních zahraničních institucí (University of Oxford, Göteborg University, SISSA Trieste, CESR Toulouse, Copernicus Institute Warsaw). Po organizační stránce lze očekávat velmi dobré provázání s projekty Výzkumného záměru MSM 4781305903 Relativistická a částicová fyzika a její astrofyzikální aplikace a Centra teoretické astrofyziky LC06014. V neposlední řadě stojí předpokládané začlenění studentů do výzkumu využívajícího moderních výpočetních metod pro nějž se nabízí využití komplexu vysoce výkonného hardwaru budovaného na Ústavu fyziky. Tomuto jsou podřízena i témata diplomových prací řešených v rámci projektu.

Cíle

V průběhu řešení se hodláme soustředit především na následující cíle:

  • Zpracování a studium dat rapidní (krátkodobé) variability rentgenového záření binárních systémů neutronových hvězd a černých děr, rovněž také aktivních galaktických jader.
  • Modelování mechanismů potenciálně generujících nebo ovlivňujících pozorovanou variabilitu. Zvýšenou pozornost budeme věnovat problematice oscilačních modelů akrečních disků a souvisejícím možným rezonačním efektům. Obdobně se soustředíme i na mechanismy propagace generovaného záření.
  • Tvorba a studium sofistikovaných modelů kompaktních hvězd, založených na různých stavových rovnicích odvozených ze zákonů částicové fyziky.
  • Studium vlastností prostoročasů indukovaných neutronovými hvězdami (jejich modely) a souvisejícího orbitálního pohybu. Toto studium má díky předpokládané vazbě na variabilitu pozorovaného záření fundamentální důležitost pro řešení projektu.

Srovnání pozorované variability s existujícími i vyvíjenými analytickými a numerickými modely. Vymezení restrikcí na parametry modelů (a to jak individuálních parametrů specifických pro dané modely, tak fundamentálních parametrů studovaných objektů představovaných hmotností, spinem a mírou deformace). Toto srovnání dat a modelů může finálně přinést obecnější implikace a restrikce pro aktuální teorie gravitace, vlastností prostoru a času i fyziku mikrosvěta.

Způsob řešení projektu

Vzhledem ke komplexnosti návrhu vyžaduje řešení kombinaci řady metod a přístupů. Nutně také implikuje potřebu intenzivní mezinárodní spolupráce (především s pracovišti ve švédském Göteborgu, italském Trieste, francouzském Toulouse a kalifornské Santa Barbaře). Pro zpracování dat rapidní variability hodláme využívat jak optimalizované výsledky předchozího intenzivního surového procesingu získané z existujících publikací nebo přímo od jejich autorů, tak vlastního vyvíjeného softwaru (dlouhodobé přípravě se spolu s dr. Törökem věnuje Ing. Wzientek). Srovnání dat a modelů bude umožněno prostřednictvím programového vybavení realizovaného dr. Bakalou a Mgr. Čechem. V oblasti studia procesů v okolí a uvnitř kompaktních objektů předpokládáme nutnost konfrontace analytických a numerických přístupů. Numerická analýza bude zahrnovat komplexní vazbu vyvíjených kódů na kódy existující. Zde jsou klíčové rozsáhlé zkušenosti dr. Šrámkové při modelování oscilací diskových struktur s použitím analytického přístupu i s použitím softwaru Zeus. Obdobně na poli stavových rovnic se řešení neobejde bez zkušeností Mgr. Urbance s programy LORENE, RNS a jeho vlastních kódů. V oblasti popisu prostoročasu neutronových hvězd existující rozsáhlá skupina publikovaných prací stále zahrnuje řadu nekonzistencí, jejichž alespoň částečné vyjasnění představuje jednu ze zásadních součástí řešení projektu. V této souvislosti je velmi důležitá dílčí problematika definovaná tématy diplomových prací bc. Wildnera a Gabriely Chlopčíkové. Finálně předpokládáme tvorbu některých výstupů ve formě vizualizací a realistických vizualizací při nasazení sítě vysoce výkonného hardwaru budované na Ústavu fyziky. Tato problematika primárně realizovaná dr. Bakalou a dr. Törökem zahrnuje soubor dlouhodobých cílů jejichž sofistikované softwarové řešení vyžaduje dobře vyladěnou spolupráci celého týmu.