Konference NASA prezentovala i český podíl na výzkumu černých děr

Hned první den každoročního vrcholného setkání amerických astronomů proběhla tisková konference NASA s názvem A Feast of Feasting Black Holes (Hostina hodujících černých děr), v jejímž rámci se odborná i laická veřejnost dozvěděla aktuální stav poznání ohledně toho, kolik superhmotných černých děr v centrech galaxií nevidíme, protože je zakrývá okolní plyn a prach.

Vědci rovněž zveřejnili výsledky pozorování neobvyklého chování jedné superhmotné černé díry ležící v centru galaxie 1ES 1927+654. Oba tyto ceněné výsledky mají i „českou stopu“.

Výzkum týkající se hledání ukrytých a masivních černoděrových „monster“ vedl Peter Boorman, v současnosti působící na Kalifornské technice (Caltechu), který však svou práci začal již během svého postdoktorského pobytu v Astronomickém ústavu AV ČR v Praze pod vedením Jiřího Svobody.

Astronom Svoboda k tomuto výzkumu uvedl podle webu Akademie věd následující: „Dnes věříme, že superhmotné černé díry, vážící miliony až miliardy hmot Sluncí, se nacházejí prakticky ve všech galaxiích. Někdy jsou jejich projevy očividné, ale jindy jsou skryté a zcela zahalené okolním prachem a plynem. Pečlivá analýza infračervených a rentgenových pozorování blízkých galaxií ukázala, že více než jedna třetina superhmotných černých děr se nám skrývá.“

Svoboda je také členem druhého výzkumného týmu, který analyzoval unikátní pozorování superhmotné černé díry, u níž docházelo k obrovským změnám v jasnosti záření okolního plynu, a to napříč různými vlnovými délkami.

„Tento zdroj je přesným opakem skrytých černých děr. Téměř v přímém přenosu jsme zde mohli sledovat, jak se tvořil a zanikal úzce nasměrovaný energetický výtrysk hmoty vznikající při dopadu okolní hmoty na černou díru,“ poznamenal Svoboda.

Černé díry, ačkoli samy o sobě takřka nic nevyzařují – až na slabé Hawkingovo záření (tepelné záření černých děr teoreticky popsané britským fyzikem Stephenem Hawkingem – pozn. red.)  –, mohou být jedněmi z nejjasnějších objektů ve vesmíru.

Důvodem je silné zahřívání hmoty, která do nich padá ve formě kolem nich kroužícího (tzv. akrečního) disku. Plyn okolo superhmotných černých děr je zahřátý až na stovky tisíc stupňů a někdy může přesvítit všechny hvězdy v celé galaxii. Vzdálenější a chladnější mračna plynu a prachu však mohou přesto i takto jasně svítící disk zakrýt. Tato mračna se shlukují také v disku, ale někdy i mnohem větším a tlustším.

Geometricky si to lze představit jako rotující americkou koblihu neboli donut s černou dírou ve středu. Když se na černou díru díváme shora nebo zdola, vidíme její svítící akreční disk.

Z jiných úhlů je ale disk zakrytý. A právě na tento případ se zaměřila Boormanova studie, která zkoumala více než 120 galaxií v našem blízkém okolí. Všechny tyto galaxie přitom vyzařovaly hodně infračerveného záření, které svědčí o zahřáté hmotě. K tomu může docházet buď při tvorbě hvězd, anebo díky ozáření jiným jasným zdrojem, jakým je uvnitř skrytý svítící disk obíhající blízko kolem černé díry.

K rozhodnutí, který scénář platí, posloužila pozorování v pásmu vysokých energií pomocí družicového rentgenového dalekohledu NASA - NuSTAR. Spektrální analýzou všech těchto galaxií a pomocí teoretických modelů bylo možné určit jednotlivé fyzikální parametry jak původního záření, tak i vlastnosti plynu, který záření pohlcuje. Velké množství tohoto záření pohlcujícího plynu se podařilo detekovat ve 35 procentech galaxií, což je více, než naznačovaly dřívější studie, ale stále méně, než vědci předpokládají podle aktuální teorie růstu galaxií.

Právě pro pochopení růstu galaxií a vysvětlení velké hmotnosti černých děr v jejich středech je tato nová studie klíčová. Pokud černé díry narostly do svých obřích rozměrů cestou pohlcování velkého množství okolního plynu, měly by také být obklopeny dostatečně velkými mračny. Je pak také pravděpodobnější, že jich bude mnoho ukrytých při určitých úhlech pohledu vlivem hustých mračen, která leží v dráze pozorování.

Poměr viditelných a ukrytých černých děr nám tedy říká, kolik hmoty obklopuje černé díry, a tedy jak velké sousto mají ve svém dosahu. Unikátní kombinace infračervených a rentgenových dat nás vede k lepšímu pochopení této situace.

Zajímavostí studie je, že v tomto výzkumu byla využita data získaná ze dvou zcela odlišných přístrojů a epoch. K identifikaci vhodného vzorku galaxií byla využita měření pomocí infračervené pozorovací mise družice IRAS, operující v roce 1983. Pro rentgenovou analýzu pak vědci využili současná měření družice NuSTAR. Obě mise přitom vznikly na Caltechu, současném působišti Petera Boormana.

„Fascinuje mě, jak užitečná byla kombinace dvou misí, IRAS a NuSTAR, pro tento projekt, zejména vzhledem k tomu, že pozorování družice IRAS proběhla již před více než 40 lety,“ konstatoval astrofyzik.

Podle něj to ukazuje, jakou hodnotu mají archivy dat kosmických teleskopů a také, jaký je přínos využití více přístrojů a vlnových délek světla společně.

Druhá probíraná studie se zaměřovala na podivné změny jasností na různých vlnových délkách, které zachytily mezinárodní týmy astronomů u galaxie 1ES 1927+654, vzdálené od nás asi 270 milionů světelných let a ležící směrem k souhvězdí Draka.

Prvních viditelných změn v jasnosti si astronomové všimli v roce 2018, kdy došlo k náhlému zjasnění současně ve viditelném, ultrafialovém i rentgenovém oboru spektra. Od té doby se tato galaxie stala předmětem dalších pozorování.

Potvrdilo se, že za tímto zjasněním stojí velmi hmotná černá díra v centru této galaxie s hmotností asi 1,4 milionu Sluncí, na kterou začalo padat velké množství hmoty. Vytvořil se i silný úzce směrovaný svazek urychlených částic plazmatu (tzv. jet, výtrysk), letících až třetinou rychlosti světla. Posléze tento zdroj zeslábl a vrátil se jakoby do klidného stavu.

V dubnu 2023 si ale astronomové všimli postupného zjasňování v rentgenovém oboru spektra a nastartovali novou pozorovací kampaň. Velkého překvapení se dočkali i v rámci rádiových pozorování, u kterých zaznamenali náhlé zjasnění.

„Během několika měsíců se rádiová ‚jasnost‘ zvýšila na 60násobek původní hodnoty,“ okomentoval to spoluautor této studie Jiří Svoboda.

Pozorování ukázala, že v rámci úzce směrovaného svazku nabitých částic došlo v první polovině loňského roku k vyvržení silně urychleného plazmatu. Tyto výtrysky plazmatu se rozprostíraly po obou protilehlých stranách černé díry s celkovým „rozpětím“ asi půl světelného roku. Při tomto novém zjasnění se zároveň podařilo pomocí evropské mise XMM-Newton zachytit velmi rychlé oscilace intenzity rentgenového záření, které u aktivních galaxií vědci pozorují jen velmi zřídka.

Již první hypotézy směřovaly k možnému vysvětlení, že se v tzv. akrečním disku (disku hmoty, která krouží kolem černé díry) pohybuje nějaké kompaktní těleso – a perioda rentgenových oscilací odpovídá oběžné době tělesa okolo černé díry. Takový systém by navíc vytvářel i gravitační vlny a dotyčné těleso by se vlivem energetických ztrát při vyzařování těchto vln postupně přibližovalo k černé díře.

Tomu nasvědčovala i zaznamenaná zkracující se perioda oscilací – během dvou let poklesla z 18 na sedm minut. Pak ale nastalo překvapení, když se perioda oscilací stabilizovala. Kompaktní těleso by se přitom pohybovalo na své oběžné dráze asi rychlostí poloviny rychlosti světla.

Tento fakt stabilizace oběžné dráhy vylučuje, že by kompaktním tělesem mohla být jiná menší černá díra. Ta by se totiž dále přibližovala ke hmotnější černé díře, až by jí byla pohlcena. Oproti tomu běžná hvězda by se v takové blízkosti černé díry zřejmě rozpadla vlivem obrovských slapových sil černé díry.

Zbývá tedy jediné vysvětlení, že kompaktním objektem je bílý trpaslík, tj. hustá hvězda o velikosti planety, ale s hmotností asi desetiny Slunce. Bílý trpaslík je natolik hustý, že jej slapové síly najednou zcela neroztrhají.

Přitom z něj ale může černá díra v menší míře strhávat nějaký materiál, což v důsledku vede k zastavení či zpomalení poklesu jeho oběžné dráhy poblíž černé díry. Díky tomu se rentgenové oscilace záření černé díry prozatím stabilizovaly. Osud bílého trpaslíka však bude stejně nakonec zpečetěn a dříve nebo později jej černá díra pohltí. Než se to však stane, bude tento systém po jistou dobu vysílat i gravitační vlny.

Pokud je tato hypotéza správná, bude galaxie 1ES 1927+654 patřit mezi zajímavé cíle pozorování v rámci připravované evropské „gravitační“ vesmírné mise LISA (Laser Interferometer Space Antenna), která bude gravitační vlny pocházející z galaktických center detekovat a zaznamenávat. LISA pak může s konečnou platností potvrdit nebo vyvrátit hypotézu bílého trpaslíka.