4.4 Jádro: hierarchická struktura vysoce hustého moře filamentů

Domů ／ Kapitola 4: Černé díry

Jádro černé díry není prázdné. Nachází se v něm „moře“ mimořádně hustých filamentů, které se nepřetržitě vaří a víří. Všude vznikají střižné zóny a zábleskové body způsobené opětovným propojením. Filamenty se znovu a znovu snaží stočit do stabilních tvarů, ale jen zřídka vydrží; často se na okamžik objeví jako nestabilní částice a vzápětí se rozpadají. Při rozpadu se uvolňují širokopásmové poruchy pozadí, které prostředí znovu rozvíří a udržují „var“ jádra. Tento šum je zároveň přímým důsledkem varu i palivem, které jej živí.

I. Základní obraz: hustá polévka, střih a záblesky

• Hustá polévka: Extrémní hustota způsobuje, že proudění je zároveň viskózní i elastické; celek působí těžce a zvlněně jako „hustá polévka“.
• Střižné pásy: Sousední tenké vrstvy se pohybují rozdílnými rychlostmi a vytvářejí rozsáhlé oblasti střihu. Právě zde se nejrychleji hromadí napětí a dochází k přepisování struktury.
• Záblesky z opětovného propojení: V blízkosti kritických podmínek se vazby mezi filamenty bleskově překládají. Každé opětovné propojení mění lokální napětí na balíčky vln, teplo či proudění ve větším měřítku.

II. Hierarchická organizace: tři úrovně od mikro po makro

• Mikroměřítko: úseky filamentů a malé smyčky
  Úseky mají tendenci se shlukovat a snaží se uzavírat do drobných stočení. Silná komprese v jádře a husté vnější poruchy však většinu pokusů okamžitě zneklidní. Stočení existují krátce jako nestabilní částice a poté zanikají.
• Mezoměřítko: pásy usměrněné střihem
  Mikrovlnění je střihem natahováno a rovnáno jedním směrem, čímž vznikají pásy. Mezi pásy leží tenké skluzové plochy, na nichž se napětí opakovaně ukládá a uvolňuje.
• Makroměřítko: buňky vzestupu
  Více pásů se slévá do mohutnějších buněk vzestupu. Tyto buňky se pomalu přesouvají, spojují a dělí a určují celkový rytmus a rozdělení energie v jádře.

Tři úrovně se vzájemně podmiňují. Neúspěšná stočení v mikroměřítku dodávají materiál i šum mezoměřítku. Uspořádané pásy v mezoměřítku tvoří „kostru“ pro makroměřítkové vzestupy. Zpětné proudy a smrštění v makroměřítku naopak tlačí energii zpět do malých měřítek a uzavírají koloběh.

III. Úloha nestabilních částic: vznik, rozpad a nové víření

• Nepřetržitý vznik
  Vysoká hustota a velké napětí neustále ženou úseky ke stočení. Mnohá nově utvořená stočení jsou hned u svého prahu a mohou existovat jen chvilku jako nestabilní částice.
• Rychlý rozpad
  Vnější komprese roste, vnitřní sladění se vlivem vysokého napětí zpomaluje a okolí je zaplněno ne­fázovanými balíčky vln. Tyto faktory dohromady způsobují rychlý kolaps stočení.
• Vstřikování šumu pozadí
  Rozpad rozsévá po médiu širokopásmové poruchy s malou amplitudou. Jádro je absorbuje a zesiluje, takže vznikají nové zdroje víření.
• Pozitivní zpětná vazba
  Čím více nestabilních částic vzniká, tím více šumu proudí do pozadí; čím silnější pozadí, tím snadněji se nová stočení lámou. Var se tak udržuje sám.

Hlavní pointa: jádro není „bez stočení“, ale „stočení se nepřetržitě zkoušejí a nepřetržitě rozbíjejí“. Rozpad nestabilních částic není vedlejší hluk, nýbrž jeden z hlavních zdrojů paliva pro trvalý var.

IV. Koloběh hmoty: vytažení filamentu, navrácení filamentu a přeuspořádání

• Vytažení filamentu: Lokální špičky napětí a geometrická konvergence vytahují z moře materiál do uspořádanějších úseků filamentů.
• Navrácení filamentu: Úseky, které překročí mez odolnosti, povolují a vracejí se do rozptýlenější složky moře.
• Přeuspořádání: Střih a opětovné propojení nepřetržitě mění způsoby, jimiž jsou filamenty svázány. Otevírají se nové kanály, staré se uzavírají a celkový tvar se v čase pomalu posouvá.
• Dvě souběžné složky: V jádře jsou přítomny dvě komponenty: relativně zarovnaný, koherentní tok, který funguje jako kostra, a nepravidelný širokopásmový šum pozadí, který působí jako „teplo“. Společně se vyvažují a určují okamžitou plasticitu systému.

V. Energetická bilance: ukládání, uvolnění a přenos v uzavřené smyčce

• Ukládání: Zakřivení a kroucení vážou napětí do geometrie filamentů jako „tvarovou energii“. Pásy usměrněné střihem se chovají jako pružiny — čím více jsou napnuté, tím jsou pevnější.
• Uvolnění: Opětovné propojení odemyká tvarovou energii do balíčků vln a tepla. Také rozpad neúspěšných stočení energii uvolňuje a krmí pozadí.
• Přenos: Energie pendlováním prochází mezi měřítky. Malé balíčky vln napájí pásy; velkorozměrné zpětné proudy tlačí energii zpět do malých měřítek.
• Uzavřená smyčka: Ukládání, uvolnění a přenos se opakují, takže jádro zůstává aktivní i bez trvalého přísunu zvenčí. Vnější přísun může smyčku zesílit, není však nezbytný.

VI. Časové rysy: přerušovanost, paměť a obnova

• Přerušovanost: Opětovné propojení a rozpad neprobíhají rovnoměrně, ale ve shlucích výbuchů.
• Paměť: Po silné události zůstává hladina pozadí po určitou dobu zvýšená, takže nová stočení selhávají snáze.
• Obnova: Když vnější přísun slábne, pásy usměrněné střihem se postupně uvolňují k nižším napětím a šum klesá, ačkoli jen výjimečně na nulu.

VII. Shrnutě

Jádro funguje jako samo se udržující „míchadlo“. Filamenty se neustále snaží stočit a stejně neustále jsou rozebírány. Střižné pásy a zábleskové body opětovného propojení předávají aktivitu mezi měřítky, takže se napětí cyklicky ukládá, uvolňuje a přenáší. Trvalý rozpad nestabilních částic nepřetržitě doplňuje šum pozadí — je to současně následek varu i důvod jeho vytrvalosti.