Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 23 – vyšlo 12. června, ročník 7 (2009) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

23/2009

Tanec černých děr

Ivan Havlíček

Hledání dvojhvězdy v jádru vzdálené cizí galaxie, kterou by tvořily černé díry, lze připodobnit hledání jehly v kupce sena. Takovou dvojici nalezli astronomové z NOAONOAO – National Optical Astronomy Observatory, Národní optická astronomická observatoř. Od roku 1982 sdružuje několik astronomických observatoří pod jediným vedením. Zejména jde o Kitt Peak National Observatory (Arizona), Cerro Tololo Inter-American Observatory (Chile) a National Solar Observatory (Arizona, Nové Mexiko). v Tucsonu. To znamená, že takové binární systémy skutečně mohou existovat a lze je přímo pozorovat.

Kvazar SDSS J153636.22+044127.0 s dvojicí černých děr ve svém jádru.
Kresba NASA/MPI.

Černá díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují. Kvazar – objekty objevené v roce 1963, mají malé úhlové rozměry (<1″) a ob­rov­ský zářivý výkon v celém spektru (1035 až 1040 W). Kvazary se nacházejí ve velkých kosmologických vzdálenostech, jejich světlo je poznamenáno roz­pí­ná­ním vesmíru a spektrum je výrazně posunuté k červenému konci. Energetická bilance odpovídá vyzařování celých galaxií. Jde o zárodky budoucích galaxií, v jejichž středu se nachází obří černá díra s charakteristickým výtryskem hmoty. AGN – Active Galactic Nuclei, aktivní jádra galaxií. Tato jádra produkují netepelné pulzní UV a RTG záření, v centru sídlí velmi hmotná černá díra obklopená akrečním diskem (n ~ 1016 cm-3, T ~ 105 K, B ~ 0,2 T). Přepojení silokřivek magnetického pole je doprovázeno ohřevem elektronů až na 109 K a rentgenovým či gama zábleskem. Existuje celá řada galaxií s aktivními jádry, například Seyfertovy galaxie, linery, blazary a kvazary.

Nově objevené černé díry kolem sebe obíhají ve vzdálenosti pouhé desetiny parsekuParsek – pc, paralaktická sekunda, astronomická jednotka vzdálenosti. Jde o vzdálenost, ze které je vidět střední vzdálenost Země-Slunce (jedna astronomická jednotka) pod úhlem jedné obloukové vteřiny. Měří se kolmo k zornému paprsku. Číselně je 1 pc = 30×10¹² km, což je zhruba 3,26 světelného roku. Často používanými násobky jsou kiloparsek (kpc) a megaparsek (Mpc)., což je mnohem blíž, než je ze sluneční soustavy k nejbližší jiné hvězdě. Nový objev dvojice černých děr může rozšířit naše znalosti o vývoji galaxiíGalaxie – kompaktní seskupení hvězd, hvězdných asociací, otevřených a kulových hvězdokup, mezihvězdné látky a temné hmoty. Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, aktivní, rádiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je udávána v miliardách až stovkách miliard hmotností Slunce. Galaxie jsou obvykle součástmi vyšších celků, jako jsou kupy, nadkupy, vlákna a stěny., zejména o tom, jak se utváří galaktické jádro a jakou roli přitom hrají extrémně hmotné objekty. Po zformování galaxie se v jejím jádru vytvoří velmi hmotná černá díra. Mnoho galaxií však nacházíme ve skupinách, kde spolu mohou splývat, a předpokládáme, že přitom splývají také černé díry v jejich jádrech. Tyto extrémně hmotné objekty by zde, podle teorie, měly postupně narůstat do obřích rozměrů. Při tomto procesu ale nepadá matérie do jícnu černé díry přímo. V její blízkosti je strhávána rotací gravitačního pole a vytváří rotující zářivý talíř – akreční disk. Právě díky záření akrečního disku, výtryskům tvrdého záření podél rotační osy a dalším jevům spojeným s pohlcováním hmoty je pak možné černou díru identifikovat. Při vyhledávání takového objektu je ale nutné velmi pečlivě rozlišit světlo domovské galaxie, v níž se systém nachází, a zároveň systém rozložit na jednotlivé složky.

Kresba jádra podvojného systému tvořeného černými děrami ve vzdálené galaxii.
Zdroj: P. Marenfeld/NOAO/AURA/NSF

Spektrogram z archivu SDSSSDSS – Sloan Digital Sky Survey, ambiciózní projekt přehlídky oblohy podporovaný nadací Alfreda Pritcharda Sloana, která byla založena v roce 1934. Alfred P. Sloan (1875-1976) byl americký obchodník a výkonný ředitel společnosti General Motors po více než dvacet let. Sloanova nadace podporuje také vědu a školství. Projekt katalogizuje všechny galaxie s mezní jasností do 23. magnitudy na čtvrtině severní oblohy. Přehlídka zahrnuje asi 500 miliónů galaxií a ještě více hvězd. U každé galaxie je určena pozice, jasnost a barva. Pro asi milión galaxií a 100 000 kvazarů budou pořízena spektra. Stanice SDSS je postavena v Novém Mexiku v Sacramento Mountains na observatoři Apache Point. Hlavním přístrojem projektu SDSS je dalekohled o průměru primárního zrcadla 2,5 m. kvazaru SDSS J153636.22+044127.0. Lze na něm rozlišit tři, vzájemným pohybem posunuté, systémy. Systém c označený červeně pro z = 0,3889 má spektrum typické pro kvazary s malým červeným posuvem zahrnující Balmerovu sérii čar a silné zakázané čáry [O II], [O III], [Ne III] a [Ne V]. Systém b označený modře s červeným posuvem z = 0,3727 ukazuje pouze širokou škálu Balmerovy série a UV emisi železa Fe II. Třetí pohybový systém a se z = 0,38783 vyznačený zeleně je rozlišen jako šestice jinak nevysvětlitelných absorpčních linií: dublet Mg II (279,6 nm; 280,3 nm), čára Mg I (285,2 nm), Ca II K (393,4 nm), a dublet Na D (589,1 nm; 589,7 nm). Silná nepopsaná čára je pozůstatek slabé záře noční oblohy na vlnové délce 557,7 nm. Zdroj Arxiv.

Červený kosmologický posuvKosmologický posuv – posuv spektrálních čar k červenému konci spektra díky rozpínání vesmíru. Při rozpínání dochází nejen ke vzájemnému vzdalování galaxií, ale i k prodlužování vlnových délek záření. Spektrum vzdálených objektů ve vesmíru se tak jeví posunuté směrem k červené až infračervené oblasti. Kosmologický červený posuv je definován předpisem z = (λ − λ₀)/λ₀, kde λ₀ je vlnová délka spektrální čáry v okamžiku vyslání paprsku, λ je vlnová délka téže spektrální čáry v okamžiku zachycení paprsku. Malé kosmologické červené posuvy lze interpretovat pomocí Dopplerova jevu. U velkých posuvů závisí vzdálenost objektu na parametrech expanze vesmíru (Hubbleově konstantě, křivosti, procentuálním zastoupení temné energie atd.) a není jednoduché z naměřeného kosmologického posuvu vzdálenost přesně určit. Proto se většinou časové období udává pouze hodnotou naměřeného kosmologického posuvu. pozorovaných spekter domovských galaxií u obou kompaktních objektů byl vyhodnocen jako jedna a tatáž galaxie. Jde o kvazar SDSS J153636.22+044127.0. V jeho jádru je tedy s největší pravděpodobností binární systém složený ze dvou černých děr. Rozdvojení spektrálních linií centrálního objektu by mělo být jasnou známkou, že objekty jsou dva. Ze spektra lze také vyčíst, jak rychle kolem společného těžiště černé díry obíhají a jak jsou hmotné. Jelikož v takové soustavě probíhá – na kosmická měřítka ovšem – vše velmi rychle, bude možné v horizontu několika málo roků sledovat, jak se systém vyvíjí. Černé díry mají rozdílné hmotnosti. Menší z nich je srovnatelná s 20 milióny Sluncí a druhá má 800 miliónů slunečních hmotností. Vzájemná rychlost spektrálních linií jednotlivých složek byla určena na 3 500 km/s. Černé díry by se tak mohly pohybovat okolo společného těžiště rychlostí 6 000 km/s a jejich oběžná doba je vypočtena na 100 roků. Jde tedy o černé díry skutečně obří. Pro srovnání: v naší Galaxii – Mléčné dráze – se hmotnost centrální černé díry odhaduje na 2,5÷4 milióny Sluncí.

Přímo pozorovatelný akreční disk kolem černé díry v jádru galaxie NGC 4261, která se nachází ve vzdálenosti 100 milionů světelných rokůl.y. – light year, světelný rok. Jde o vzdálenost, kterou ulétne světlo za rok: 9,46×10¹² km. v souhvězdí Panny. Akreční disk na snímku je široký 800 světelných roků. Z měření rychlosti rotace tohoto útvaru bylo určeno množství hmoty, které je v disku shromážděno. Jedná se o řádový odhad kolem 100 000 slunečních hmotností. V centru tohoto zářícího anuloidu je obří černá díra, jedna z největších, které se v galaktických jádrech prozatím podařilo nalézt. Jde zhruba o 1,2 miliardy hmotností Slunce v prostoru odpovídajícímu velikosti sluneční soustavy. Zdroj: HST.

Porovnání velikosti černých děr v jádrech galaxií. Měřítkem rozměrů je průměr dráhy Země okolo Slunce, tedy 300×10⁶ km. Měřítkem hmotností je hmotnost sluneční M_S = 2×10³⁰ kg. Zdroj: HST

Klip týdne: Slučování galaktických jader

Slučování galaktických jader. Animace začíná pohledem do Hlubokého severního pole pořízeného RTG observatoří Chandra. Černé díry, známé také ze submilimetrových pozorování, jsou příznačné pro právě probíhající utváření hvězd ve svých domovských galaxiích. Zúžením zorného úhlu nahlédneme na dvojici velmi těsných černých děr, objekt SMG 123616.1+621513, které tančí kolem společného těžiště. Záznam pořízený vesmírnou observatoří Chandra přejde v závěru do předpovídané scenérie, kdy v budoucnu obě černé díry splynou v jeden objekt. Zdroj: Chandra. (mpg, 7 MB)

Odkazy