Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 19 (vyšlo 4. června), ročník 8 (2010) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

19/2010

Černé díry bez závojů

Petr Kulhánek

Na počátku roku 2010 se týmu vyhodnocujícímu snímky ze Spitzerova vesmírného dalekohleduSST (Spitzer Space Telescope) – Spitzerův vesmírný dalekohled. Kosmická observatoř NASA pracující v infračerveném oboru, která byla vynesena na oběžnou dráhu v srpnu 2003 nosnou raketou Delta 7920H ELV. Zrcadlo má průměr 85 cm a je chlazené kapalným heliem na teplotu 5,5 K. Pozorovací spektrální rozsah je 3÷180 μm. Předpokládá se životnost tři až pět let. Program družice má na starosti California Institute of Technology. podařilo nalézt v obrovské vzdálenosti od nás dvě atypické obří černé díry. Z tvaru jejich spektra je patrné, že v okolí obou objektů není přítomen prach. Pro obří černé díry, které nacházíme v centrech větších galaxií a kvazarů, je přitom prachový torus zcela typický. S největší pravděpodobností to znamená, že se díváme na velmi jednoduché černé díry, které vznikaly v období méně než jednu miliardu let po vzniku světa, tedy na samotném počátku vesmíru. Tehdy zde ještě nebyly přítomny složitější molekuly, ze kterých později vzniká kolem obří černé díry charakteristický prachový kokón. V okolí nalezených objektů byl detekován jen velmi intenzivně zářící plynný disk. Objev může mít velký význam pro pochopení vzniku prvních kvazarů či galaxií.

Spitzerův vesmírný dalekohled. Zdroj: NASA/SST.

Troška historie

Historicky první úvahy o možné existenci objektů, ze kterých nemůže uniknout ani světlo, pravděpodobně pochází od Johna Michella již z roku 1783. Pierre Simon Laplace v roce 1798 odvodil na základě představ Newtonovy mechaniky rozměry tohoto hypotetického tělesa ze vztahu pro únikovou rychlost, do kterého dosadil místo únikové rychlosti rychlost šíření světla. V roce 1916 odvodil stejný vztah, ale na základě Einsteinovy obecné relativityObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1916. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svojí přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách., Karl Schwarzschild. Od té doby hovoříme o tzv. Schwarzschildově poloměru. Pojmenování „černá díra“ pochází od Johna Wheelera a je až z roku 1967. V roce 1971 ztotožnil anglický astronom Paul Murdin rentgenový zdroj Cyg X1 v souhvězdí Labutě (objevený v roce 1964) s černou dírou. Její vlastnosti určil na základě pozorování hvězdy obíhající v těsném okolí.

První objevená černá díra je prototypem tzv. hvězdných černých děr, které vznikají v závěrečných fázích života velmi hmotných hvězd (nad 10 M_S), jež se zhroutí do černé díry po vyhasnutí termojaderné syntézy v jejich nitru. Takových černých děr známe dnes velké množství a staly se pro astronomy běžnými vesmírnými objekty.

Umělecká představa hvězdné černé díry Cyg X1. Zdroj: David A. Hardy, IAAA.

Zcela jiným typem jsou obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Jejich hmotnost může být miliony až miliardy Sluncí, hustota je ale v porovnání s hvězdnými černými děrami velmi nízká. Pokud je v okolí dostatek materiálu, vytvoří se v těsné blízkosti černé díry plynný akreční disk, který je zdrojem energie pro okolí. Plyn kroužící kolem černé díry ztrácí energii vnitřním třením. Jeho potenciální energie se mění na teplo a zahřátý akreční disk se stává zdrojem intenzivního záření v širokém spektru vlnových délek. Plyn ztrácející energii padá po spirále do černé díry. Ve větší vzdálenosti od černé díry vzniká tlustý prachový torus, který pohlcuje podstatnou část záření z centrální oblasti a sám vyzařuje v mikrovlnném a infračerveném oboru. Prachový torus často vytváří kolem černé díry mohutný kokón, který skrývá centrální oblast před okolím.

Ve směru osy rotace vznikají výtrysky částic urychlovaných magnetickým polem na rychlost srovnatelnou s rychlostí světla. Ve větších vzdálenostech se částice výtrysku brzdí o okolní prostředí a vytvářejí charakteristické radiové laloky. Černá díra se stává jakýmsi motorem celé galaxie, v jejímž středu sídlí. Často hovoříme o tzv. aktivních jádrech galaxií. Obraz aktivního jádra se liší podle směru pohledu na černou díru (detaily naleznete v AB 21/2008). Pokud jsou objekty ve velkých vzdálenostech, vnímáme je jako kvazaryKvazar – 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 jejich 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., jež byly objeveny v roce 1963.  Není-li v okolí centrální černé díry dostatek materiálu (buď nebyl přítomen od počátku nebo ho černá díra již spotřebovala), jeví se galaxie jako klidný objekt a její jádro má průměrnou aktivitu.

Jednoduché černé díry bez prachového kokónu

Řada černých děr byla objevena v rámci Sloanovy digitální přehlídky oblohy (SDSS). Mezi ně patří i dva nenápadné kvazaryKvazar – 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 jejich 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. s katalogovými označeními J0005-0006 a J0303-0019. Oba kvazary leží v těsné blízkosti světového rovníku, první z nich je v souhvězdí Ryb a druhý v souhvězdí Velryby. 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. obou objektů je větší než 6; odhaduje se, že jsou ve vzdálenosti přibližně 13 miliard světelných roků od Země. Uvážíme-li, že vesmír je starý 13,7 miliardy let, jde o objekty z prvopočátku existence vesmíru.

Oba kvazary byly spolu s dalšími devatenácti objekty zařazeny do programu Spitzerova vesmírného dalekohleduSST (Spitzer Space Telescope) – Spitzerův vesmírný dalekohled. Kosmická observatoř NASA pracující v infračerveném oboru, která byla vynesena na oběžnou dráhu v srpnu 2003 nosnou raketou Delta 7920H ELV. Zrcadlo má průměr 85 cm a je chlazené kapalným heliem na teplotu 5,5 K. Pozorovací spektrální rozsah je 3÷180 μm. Předpokládá se životnost tři až pět let. Program družice má na starosti California Institute of Technology., v rámci kterého byly detailně pozorovány v infračerveném oboru v průběhu let 2006 až 2009. Vědecký tým vyhodnocující napozorovaná data byl veden Xiaohui Fanem z Arizonské univerzity. Jmenované dva kvazary jako jediné z 21 sledovaných objektů neměly charakteristické spektrum horkého prachu. Podle všeho se zdá, že mají jen akreční disk z horkých plynů, ale charakteristický prachový torus zcela chybí. Je vysoce pravděpodobné, že se podařilo najít primitivní černé díry vzniklé v první miliardě let existence vesmíru, kdy ještě neexistovaly molekuly, ze kterých se tvoří prach. Tomu nasvědčuje i relativně malá hmotnost obou obřích černých děr. V porovnání s ostatními jsou velmi mladé a ještě nestačily ze svého okolí pozřít větší množství materiálu. V tuto chvíli jde o jediné dvě známé obří černé díry, které nejsou zahaleny do prachového kokónu. Ten se u nich pravděpodobně vytvořil až mnohem později, nicméně světlo nesoucí informaci o tomto procesu na Zemi ještě nedorazilo.

Porovnání spektra kvazaru J0005–0006 s „normálním“ kvazarem J0842+1218.
Ve spektru chybí část odpovídající prachu. Zdroj: NASA/JPL-Caltech/L. Jiang.

Umělecká představa jednoduché černé díry s akrečním diskem z plynů.
Prachový torus zcela chybí. Zdroj: NASA/JPL-Caltech.

Animace týdne: Černá díra v jádru galaxií

Černá díra v jádru galaxií. Umělecká vize cesty do jádra galaxie. Nejprve proletíte kolem hvězd ve vnějších oblastech galaxie a vydáte se k jejímu centru, kde sídlí velmi hmotná černá díra. Černá díra je obklopena horkým prachovým torem, který je zobrazen červeně. V těsném okolí je žlutý plynný akreční disk. Plyn se zahřívá vnitřním třením při postupném pádu do černé díry a slouží jako zdroj energie pro centrální galaktický motor. Uvolňovaná energie uniká z černé díry v podobě dvou výtrysků urychlených částic a záření. Pokud se pozorovatel dívá přesně v rovině akrečního disku, může vidět oba výtrysky, pokud výhled nezastíní tlustý prachový torus. Pokud je osa výtrysků skloněná, bude díky relativistickým jevům intenzita vzdalujícího se výtrysku silně potlačena. To, co pozorovatel uvidí tak silně závisí na úhlu pohledu. Zdá se, že celá rodina galaxií s aktivními jádry (linery, blazary, kvazary, Seyfertovy galaxie) jsou jediným druhem objektu nazíraným pod různými pozorovacími úhly. Zdroj: Chandra/Harvard University, 2007. (mpg, 5 MB)

Literatura

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu