Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 24 – vyšlo 9. srpna, ročník 11 (2013) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

24/2013

Černá díra v rádiové galaxii 4C+29.30

Ivan Havlíček

Uvnitř velkých galaxií v blízkém vesmíru pozorujeme obří černé díry, které jsou ve struktuře galaxie nejhmotnějším kompaktním objektem. O jejich existenci a vlivu na formování aktivních galaktických jaderAGN – 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. se spekulovalo od sedmdesátých let minulého století. První galaktická černá díra byla nalezena v galaxii NGC 4261 a přímo pozorována byla poprvé v roce 1992. Galaktické černé díry jsou skryty v obrovitém prachovém oblaku, který do sebe postupně vstřebávají, a způsobem, jakým se to odehrává, na sebe upozorňují. Oblak velmi rychle rotuje a látka z jeho vnitřní části vtéká pod horizontHorizont událostí – rozhraní u černé díry, po jehož překročení již není možné vyslat jakýkoli signál vnějšímu pozorovateli. Rozměr horizontu událostí určil z obecné relativity Karl Schwarzschild v roce 1916, proto často hovoříme o tzv. Schwarzschildovu poloměru černé díry. U rotující černé díry spočítal tvar horizontu událostí Roy Kerr v roce 1963. rotující černé díry. Ve směru rotační osy tohoto útvaru je fokusován proud tvrdého záření a tok relativistických částic, který na obě strany odnáší energii. Tyto protiběžné výtrysky ovlivňují a strhávají s sebou okolní galaktickou látku, vystřelují ji do mezigalaktického prostoru a mohou být pozorovatelné v rádiovém oboru jako obří svítící oblasti velikostí často několikanásobně přesahující velikost mateřské galaxie. V rádiovém oboru takové laloky připomínají obraz obrovitánské vrtule s droboulinkou galaxií někde neznatelně uprostřed, odkud vše povstalo.

Centrální oblast eliptické rádiové galaxie NGC 4261 ve vzdálenosti 45 milionů světelných roků v souhvězdí Panny, v níž byla potvrzena první galaktická černá díra. Hmotnost díry byla odhadnuta na 1,2×10⁹ Sluncí, hmotnost okolního prachového toru by měla odpovídat 10⁵ Sluncí. První evidence toru pochází z roku 1992. Na levém snímku jsou sítí VLAVLA – Very Large Array, síť 27 radioteleskopů poskládaných do tvaru písmene Y umístěná v Socorru v Novém Mexiku. Průměr jedné antény je 25 metrů, hmotnost 230 tun. Elektronicky zpracovaná data poskytují rozlišení odpovídající základně 36 kilometrů a citlivost odpovídající jednomu dalekohledu o průměru 130 metrů. Síť provozuje National Radio Astronomy Observatory (NRAO) od roku 1980. oranžově zobrazeny rádiové laloky, prostřední detailní snímek centrální oblasti byl pořízen dalekohledem HSTHST (Hubble Space Telescope) – Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnému určení Hubbleovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009. a pochází z roku 1995. Detailní isofotické zobrazení vpravo bylo pořízeno rádiovou sítí VLBAVLBA – Very Large Baseline Array, síť deseti radioteleskopů rozmístěná od Havajských po Panenské ostrovy s délkou základny 8 600 km. Průměr každé antény je 25 m, provozovatelem je National Science Foundation se sídlem v Novém Mexiku. Síť je v provozu od roku 1993. v roce 1999 a zobrazuje bezprostřední okolí černé díry, z něhož proudí do prostoru tok plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. a záření vytvářející rádiové laloky. Zdroje: HST 1, HST 2, NRAO.

Galaxie – 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. 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. 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.

Galaxie 4C+29.30 je obří eliptická galaxie ve vzdálenosti 850 milionů světelných roků promítající se do souhvězdí Raka, která září v rádiovém a rentgenovém oboru a v jejímž centru se nachází galaktická černá díra o hmotnosti 100 milionů Sluncí. Kombinací pozorování pořízených v rádiovém oboru sítí VLAVLA – Very Large Array, síť 27 radioteleskopů poskládaných do tvaru písmene Y umístěná v Socorru v Novém Mexiku. Průměr jedné antény je 25 metrů, hmotnost 230 tun. Elektronicky zpracovaná data poskytují rozlišení odpovídající základně 36 kilometrů a citlivost odpovídající jednomu dalekohledu o průměru 130 metrů. Síť provozuje National Radio Astronomy Observatory (NRAO) od roku 1980., radioteleskopem v Effelsbergu, radioteleskopem GMRT a rentgenovou observatoří ChandraChandra – družicová observatoř NASA zkoumající vesmír v rentgenovém oboru. Byla vypuštěna v roce 1999. Na palubě observatoře je rentgenový dalekohled o průměru 1,2 m a ohniskové vzdálenosti 10,05 m, tvořený čtyřmi soubory souosých paraboloidně-hyperboloidních zrcadel o délce 0,85 m, se zorným polem o průměru 1,0° a s rozlišením 0,5″. byla upřesněna vnitřní struktura galaxie s aktivním galaktickým jádrem.

Galaxie 4C+29.30 na kompozitním snímku ve viditelném oboru (HST – žlutá), rádiovém (VLA – růžová) a rentgenovém oboru (Chandra – modrá). Zřetelná je celková struktura s rozzářeným jádrem, z něhož se opačnými směry prodírají skrze galaktickou látku do prostoru dva výrazné rádiové laloky. Aktivní oblasti svítí v RTG a odpovídají zejména jádru a rázovým vlnám v proudu kopírujícím rádiové laloky. Zdroj: Chandra.

Černá díra v jádru je skryta v okolním prachovém a plynném obkružujícím toru, látka zde dosahuje teploty milionu stupňů. Skvrny zářící v rentgenovém oboru odpovídají místům, kde vysokoenergetické elektrony kroužící podél magnetických siločar interagují s galaktickou látkou. Jen poměrně malá část materiálu obklopujícího černou díru je do ní vtažena. Většina tvoří clonu oproti vzdálenější galaktické látce a intenzivním magnetickým polem je vystřelována skrze galaxii ve směrech určených tímto polem. V centrální oblasti ale není jen černá díra. Je tu nakupeno obrovské množství hvězd a mezihvězdné látky, jejichž koncentrace je zde v galaxii nejvyšší a tyto také ovlivňují toky látky vystřelované vně do prostoru okolím černé díry. Měřením a pozorováním tak lze přímo sledovat, jak takové aktivní centrální galaktické jádro vypadá a jak se takový děj v čase vyvíjí.

Rádiový obraz galaxie 4C+29.30 pořízený sítí VLA na frekvenci 1 400 MHz. Na levém obrázku je celkový obraz galaxie, zdroj rádiového signálu je označen uprostřed křížkem. Pravý výřez zobrazuje centrální oblast s detailním rozlišením jádra a dvou protilehlých zdrojů v kořenech rádiových laloků. Zdroj: MNRAS.

Srovnáním se staršími daty v rádiovém oboru bylo zjištěno, že rádiové zdroje uvnitř galaxie mění s časem svoji intenzitu. První použitelná měření pro takové porovnání byla publikována již v roce 1977 a byla provedena stometrovou anténou NRAONRAO – National Radio Astronomy Observatory, staví a spravuje největší radioteleskopy současnosti. Pod správu NRAO patří radioteleskop v Green Bank, sítě VLA a VLBA a spolu s Evropskou jižní observatoří staví radioteleskopickou síť ALMA. v Green Bank. Srovnáním časového vývoje jednotlivých publikovaných pozorování, včetně podrobného měření spekter a magnetického pole galaxie získaného prostřednictvím polarizace záření, bylo zjištěno, že aktivní galaktické jádroAGN – 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. je velmi mladým rádiovým zdrojem. Stáří odvozené srovnáním spektrální analýzy jednotlivých částí rádiového obrazu se pohybuje od 10 do 33 milionů roků pro centrální oblast a pro rádiové laloky vychází více než 200 milionů roků. Vývoj galaxie lze popsat jako postupné přetváření její struktury od oblaku relativistického plazmatu, přes plynné struktury, prachové struktury až k utváření hvězd. Dále by se ze skupin hvězd mohly utvářet kvazary a aktivní galaktická jádra, na jejichž pomyslném vývojovém konci jsou v nitru velkých galaxií usazeny obří galaktické černé díry, které pojídají galaxii, v níž se zrodily, zevnitř. Není ale známo, jak dlouho jednotlivé vývojové fáze trvají, zda je mezi nimi nějaká příčinná závislost, kterou by bylo možno vysledovat u všech galaxií podobného typu. Neví se, zda ten celý vývojový scénář není jen idealizací založenou na dnešních sporých pozorováních, jelikož detailní pozorování v potřebném měřítku a po dostatečně dlouhou dobu byla prozatím provedena jen u několika desítek galaxií. Pozorování galaxie 4C+29.30 by ve vývoji aktivních galaktických jader mohlo být pro poznání vývoje takových objektů velmi významné.

Rentgenový obraz (0,5÷2 keVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.) jižní oblasti výtrysků z centra galaxie 4C+29.30. Zelené kontury ohraničují RTG emisi, fialové isofoty značí rádiový obraz na 1,4 GHz a červené linie totéž na frekvenci 5 GHz. Rádiové mapy jsou v rozlišení 1″ a 5″. Vložený modrý obdélník ohraničuje oblast, z níž byla pořízena spektra výtrysků. Barevná škála podložené mapy zobrazuje intenzitu rentgenového záření v keV. Zdroj: ArXive.

Rádiová galaxie 4C+29.30 v souhvězdí Raka vzdálená 850 milionů světelných roků. Zobrazena je ve viditelném, rádiovém a rentgenovém oboru. Uvnitř je obří galaktická černá díra o hmotnosti srovnatelné se 100 miliony Sluncí. Galaktické jádro a jeho interakce s okolní galaktickou látkou jsou v současnosti zkoumány s podezřením, že jde o velmi mladý aktivní rádiový zdroj. Zdroj: Chandra.

Odkazy