Astronomové objevili největší pár výtrysků z černé díry, jaký byl kdy pozorován

Zdrojem rekordně rozměrných výtrysků je supermasivní černá díra umístěná v galaxii vzdálené od nás asi 7,5 miliardy světelných let směrem k souhvězdí Draka. Rozměry této struktury jsou už takové, že jsou porovnatelné s vláknitými strukturami pozorovanými v tzv. vesmírné pavučině, ze které se skládá velkorozměrová struktura vesmíru. Samotná galaxie je asi 10krát větší než Mléčná dráha.

Pro srovnání, dobře známý hlavní výtryskový systém černé díry v galaxii Centaurus A, nejbližší takový systém k Zemi, zabírá na délku asi deseti Mléčných drah. Podobné gigantické „fontány“ by dokonce mohly ovlivňovat kosmické struktury i daleko za hranicemi své vlastní galaxie.

Vedoucím objevitelské studie, zveřejněné 18. září tohoto roku v časopise Nature, je Martijn Oei, postdoktorand na Caltechu. Institut o tom také informoval na svém webu.

Spoluobjevitel výtrysků Aivin Gast z Oxfordské univerzity tuto strukturu, silně vysílající rádiové vlny, nazval Porfyrión podle vzbouřeného obra z řecké mytologie Porfyrióna. Stejně byla pojmenována i celá galaxie hostící dotyčnou černou díru.

„Porfyriónovy výtrysky“ se začaly formovat, když byl vesmír starý asi 6,3 miliardy let, což je méně než polovina jeho současného věku, přičemž výtryskům trvalo asi miliardu let, než dorostly do námi dnes pozorované délky, domnívají se vědci.

Třiadvacet milionů světelných let čili 7 megaparseků znamená nový rekord pro součet délek párů výtrysků černých děr. Doposud (od r. 2022) byl držitelem rekordu v této kategorii pár výtrysků z černé díry v galaxii Alcyoneus (o rozpětí cca 5 megaparseků). Nový rekord představuje 7 milionů světelných let navíc oproti předchozímu držiteli rekordu.

Černé díry pohlcují většinu vesmírného materiálu ze svého okolí. Někdy ale během tohoto procesu zahřáté a urychlené plazma tomuto osudu těsně unikne a je silným magnetickým polem rotující černé díry vyvrženo ve formě tenkých, vysokoenergetických výtrysků. Tyto výtrysky směřují ve směru obou pólů rotace černé díry, tedy na obě strany.

„Výtrysky musejí být udržovány stálým padáním hmoty do černé díry, což u našeho konkrétního případu činí něco v řádu jedné hmotnosti Slunce za rok,“ uvádí podle portálu Space.com britský astrofyzik a spoluautor studie Martin Hardcastle.

Astronomové se domnívají, že skoro všechny hmotné galaxie hostí ve svém středu obrovskou černou díru a některé z těchto galaxií vystřelují do vesmíru vysokoenergetické fontány nabitého plazmatu ve formě výtrysků. Tyto výtrysky mj. ovlivňují strukturu a vývoj galaxie, ve které jsou ponořeny, někdy v ní dokonce zpomalují nebo skoro zastavují tvorbu hvězd.

Takové výtrysky mohou eventuálně zahřát plyn v mezihvězdném prostoru, což vede k zastavení tvorby nových hvězd, což vyžaduje chladná oblaka plynu. Případně by to mohlo poškodit obyvatelné planety, říkají vědci.

Supermasivní černá díra v Mléčné dráze naštěstí ve svém současném klidovém stavu takové výtrysky nemá.

Podobné dlouhotrvající masivní výtrysky černých děr mohou mít velký dopad jak na vývoj vlastní galaxie, tak i na to, jak se vyvíjejí rozlehlá mezigalaktická magnetická pole. Podobné vysoce výkonné výtrysky ze supermasivních černých děr se také stávají největšími galaktickými strukturami ve vesmíru.

Výtrysky mají za následek pumpování záporných elektronů, kladných atomových jader a magnetických polí do mezigalaktického média, což ovlivňuje rozložení hmoty a šíření magnetismu v kosmické pavučině. Mohlo by to mít i jistý kosmologický vliv, tedy vliv na celý vesmír.

Běžné výtrysky plazmatu z malých černých děr se většinou rozpadnou brzy po svém vytvoření, jsou rozmývány turbulencemi v mezigalaktickém prostředí nebo se prostě přeruší, pokud černé díře chybí stálý a dostatečný přísun nové hmoty z okolí. Proto jsou podobné stabilní a ultradlouhé výtrysky z černých děr velkou vzácností.

Podle astronomů struktura výtrysků Porfyrión obsahuje energetický výkon rovnající se výkonu bilionů Sluncí. „To je ekvivalentní energii uvolněné během nejkataklyzmatičtějších kosmických kolizí: například těch, ke kterým dochází, když se spojí dvě kupy galaxií, z nichž každá někdy obsahuje až tisíce galaxií,“ řekl Oei.

Struktura se skládá ze severního laloku, severního proudění, jádra, jižního proudu s vnitřním žhavým ohniskem (hotspotem) a jižního vnějšího hotspotu se zpětným tokem. Tento systém demonstruje, že výtrysky se mohou vyhnout destrukci vlivem různých nestabilit a proudů v kosmologických vzdálenostech, a to i v epochách, kdy byl vesmír mnohem hustší, než je dnes. Jak je to ale možné, to v současnosti nevíme.

Martijn Oei vysvětluje: „Existují v zásadě dva typy černých děr. Černé díry ve výtryskových módech a ty, které jsou v zářivých módech, protože produkují hodně světla. Ty první známe spíše z novějšího vesmíru, ty druhé se zdají být běžnější v mladém vesmíru. Ale podcenili jsme, že i některé aktivní černé díry v zářivých módech mohou generovat silné výtrysky, což je případ Porfyrióna.“

Astronomům se podařilo objevit rekordně velkou výtryskovou strukturu Porfyrión pomocí snímků pořízených nizozemskou sítí detektorů rádiových vln LOFAR (LOw Frequency ARray). K nalezení a lokalizaci galaxie, ze které Porfyrión pochází, byl použit systém 30 velkých radioteleskopů Giant Metrewave Radio Telescope v Indii a Keckův dalekohled na Havaji.

Podle Oeie tedy výzkumníci neočekávali, že najdou dlouhé výtrysky černých děr tak brzy v historii vesmíru. Výtrysky se datují do doby, kdy bylo stáří vesmíru poloviční než dnes a rozměry prvků kosmické pavučiny byly citelně menší než v současnosti. Zkoumání výtrysků nám tak může říci mnohé o vlastnostech a formování raného vesmíru.

„Tento objev je důležitý, protože magnetismus, který ovlivňuje i rozvoj života zde na Zemi, zřejmě původně přišel z kosmické pavučiny, tedy z mezigalaktického prostoru, a my si myslíme, že výtrysky černých děr mohly mít důležitou roli při vzniku mezigalaktických magnetických polí. Je tedy velmi důležité pochopit, jak výtrysky černých děr fungují a jaká byla jejich aktivita v raném vesmíru,“ vysvětluje Oei.

„Pokud vzdálené výtrysky jako tyto mohly v dané době dosáhnout rozměrů prázdných míst kosmické pavučiny, pak každé místo ve vesmíru mohlo být v určitém okamžiku kosmického času ovlivněno aktivitou černých děr.“

Obří výtryskové systémy jako Porfyrión tedy mohly mít větší vliv na vznik galaxií v mladém vesmíru, než se dříve myslelo, a naznačují, že tyto obří výtrysky mohly šířit magnetismus vesmírem.

„Tyto velké výtryskové systémy černých děr mohou být přitom méně vzácné, než jsme si mysleli,“ dodává Oei. „Takže by mohly mít větší vliv, než jsme očekávali.“

„V minulosti mohlo existovat více výtryskových systémů černých děr podobných Porfyriónu a společně mohly mít zásadní vliv na kosmickou pavučinu tím, že by ovlivňovaly formování galaxií, zahřívaly médium ve vláknech a také by mohly magnetizovat kosmickou prázdnotu,“ popisuje dále Oei.

Eileen Meyerová, která studuje černé díry na univerzitě v Marylandu v okrese Baltimore a která se na studii nepodílela, byla ohromena velikostí této nově objevené struktury: „Astronomové již pozorují opravdu velké struktury, takže když se nyní dostáváme až na sedm megaparseků, jde o doslova největší strukturu ve známém vesmíru, která sama o sobě není součástí prvotní struktury, která byla vytvořena těsně po velkém třesku.“

Porfyrión navíc není sám. Občanské vědecké úsilí o identifikaci dalších velkých výtrysků černých děr objevilo dosud více než 10 000 výtrysků, které mají rozpětí zhruba 3 miliony světelných let nebo více, i když žádný není tak velký jako Porfyrión. Ovšem i toto vše může být jen „špičkou ledovce“, protože průzkum LOFAR zatím pokryl pouze 15 procent oblohy.

Tento objev otevírá dveře k hlubšímu zkoumání toho, jak výtrysky černých děr ovlivňovaly v historii vesmír, a to jako součást nejmocnějších sil ve vesmíru.