Češi pomohli odhalit další tajemství chování černých děr

Vědci v rámci mezinárodní spolupráce publikovali studie, které poskytují nové pohledy na chování rentgenových dvojhvězdných systémů s černou dírou. Černá díra o hvězdné hmotnosti v takové soustavě přitahuje hmotu ze svého hvězdného souputníka a vzniká kolem ní tzv. akreční disk. Na pólech černé díry může hmota ze systému unikat směrem ven v podobě vysokoenergetických výtrysků.

Nové studie se zabývaly konkrétně rentgenovým binárním systémem nazvaným Swift J1727.8–1613, o jehož existenci se až do srpna 2023 nevědělo.

Tmavé místo na obloze ale najednou zničehonic začalo zářit na všech vlnových délkách a upoutalo celosvětovou pozornost astronomů především v rentgenovém oboru, kde byl objekt po několik měsíců jasnější než jiný známý zdroj rentgenového záření uvnitř naší Galaxie: Krabí mlhovina.

Ono náhlé vzplanutí je pro takové binární systémy typické, ale zřídkakdy je tak jasné a relativně blízko.

Proto se na tento objekt zaměřily významné rentgenové observatoře včetně družice IXPE, což je společný projekt americké NASA a Italské kosmické agentury. Na palubě IXPE je speciální teleskop, který umožňuje měřit polarizaci rentgenového záření. Polarizace určuje množství vln světla kmitající v daném směru.

Podle odborníků se ukazuje, že to je klíčový nástroj pro porozumění procesům probíhajícím např. právě v blízkosti černých děr, které mají silnou gravitaci ovlivňující okolní materiál a záření. Polarizace pomáhá objasnit, jaká je struktura hmoty v blízkosti černé díry.

První studie, vedená Jiřím Svobodou z Astronomického ústavu Akademie věd ČR, se zaměřila na výrazné změny v polarizaci rentgenového záření pozorované během různých fází vzplanutí systému Swift J1727.8−1613 od loňského srpna do února letošního roku.

„Náš výzkum ukázal, že během přechodu mezi tzv. tvrdým a měkkým spektrálním stavem rentgenového záření dochází rovněž k významným změnám v polarizaci,“ uvedl Svoboda.

V počáteční fázi vzplanutí dominovala záření tzv. koróna, která je hlavním zdrojem tvrdého rentgenového záření v systému. V následném měkkém stavu, kdy je pozorované záření méně energetické, vychází více rentgenových fotonů přímo z akrečního disku.

Díky dalším pozorováním se zjistilo, že změny v energetickém spektru, tedy v jeho barvě, jsou doprovázeny změnami v polarizaci. To potvrzuje, že struktura akrečního disku a koróny se během této fáze významně mění.

„Je to právě polarizace, která prokazuje geometrické změny v rozložení hmoty u černých děr,“ vysvětlil Svoboda.

Druhá studie, kterou vedl Jakub Podgorný rovněž z Astronomického ústavu AV ČR, se zabývala obnovením polarizace rentgenového záření po přechodu zpět z měkkého do tvrdého stavu. Tvrdý stav znamená, že záření vzdáleného zdroje je mnohem energetičtější. Pozorovaná binární soustava se do tohoto stavu vrátila v dubnu 2024 po několika měsících, ovšem se zhruba stonásobně utlumenou jasností oproti prvotnímu vzplanutí v srpnu 2023.

Podle Podgorného tak vědci vůbec poprvé zaznamenali rentgenovou polarizaci u binárního systému v tomto přechodovém období.

„Zjistili jsme, že polarizace se vrátila k hodnotám zaznamenaným během počáteční fáze výbuchu u téhož zdroje, což znamená, že geometrie koróny se pro tento tvrdý stav výrazně nemění, i když rentgenový jas významně klesne,“ shrnul.

Pokles rentgenové jasnosti se tedy sice očekával, současné úplné obnovení polarizačního stavu ale nikoli. Naznačuje to, že struktura koróny a disku je u binárních systémů po návratu z měkkého stavu mnohem stabilnější, než si astronomové a astrofyzici dříve mysleli.

Nová zjištění podle Michala Dovčiaka z Astronomického ústavu, který se na nových výzkumech taktéž podílel, představují významný krok vpřed v našem porozumění tomu, jak černé díry interagují s okolním materiálem. A dokazují, že analýza pomocí rentgenové polarizace je ideálním nástrojem.

Další pozorování a studování příslušných systémů s černou dírou hvězdné hmotnosti budou následovat.