Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 26 (vyšlo 3. srpna, ročník 16 (2018)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Černá díra na výletě

Petr Kulhánek

Černé díryČerná 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. patřily po dlouhá desetiletí k exotickým objektům. Dnes jich známe velké množství a postupně se zařadily k běžným úkazům ve vesmíru. První černá díra hvězdné hmotnosti byla ztotožněna Paulem Murdinem s rentgenovým zdrojem Cyg X1 v souhvězdí Labutě v roce 1971. První obří černé díry ve středech galaxií byly identifikovány Hubblovým dalekohledemHST (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. na počátku 90. let 20. století. A první černé díry středních hmotností byly přistiženy přímo při svém vzniku, tedy při slučování dvou menších černých děr, při objevu gravitačních vlnGravitační vlna – periodicky se šířící zakřivení času a prostoru. Může vzniknout v okolí těles s nenulovým kvadrupólovým momentem, například kolem dvojice rotujících kompaktních hvězd. Právě tyto vlny by měly být nejběžnější a mít frekvenci od 0,1 mHz do 10 kHz. K první přímé detekci gravitačních vln došlo dne 14. září 2015. Gravitační záblesk ze splynutí dvou černých děr středních hmotností ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných roků zachytily oba americké přístroje LIGO. v roce 2015. I přes velké množství poznaných černých děr jsou zatím vždy spojeny s exotickými fyzikálními procesy na hranici poznání. V roce 2018 bylo zjištěno, že kvazarKvazar – 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.  3C 186 nesídlí ve středu mateřské galaxie, jak by se slušelo a patřilo, ale nachází se dosti daleko od něho a pohybuje se vysokou rychlostí směrem ven. Stále je sice ještě ve hře možnost, že jde o kvazar v jiné vzdálenosti, který s pozorovanou galaxií nesouvisí, ale pravděpodobnost tohoto scénáře je po provedené analýze velmi malá. V dnešním bulletinu se s tímto zajímavým objektem seznámíme blíže.

Kvazar 3C 186 a jeho hostitelská galaxie

Kvazar 3C 186 a jeho hostitelská galaxie. Kvazar není ve středu galaxie a pohybuje se směrem ven. Snímek byl pořízen Hubblovým dalekohledem v infračerveném a v ultrafialovém oboru. Zdroj: HST/NASA/ESA. Snímek bez popisků.

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.

Utíkající díra

Mateřská galaxie kvazaru 3C 186 je jednou z mnoha galaxií v kupě galaxií ze souhvězdí Rysa. Nachází se ve vzdálenosti 8 miliard světelných roků. Pozornost na tuto galaxii zaměřila skupina vědců z Univerzity Johnse Hopkinse v Baltimoru (Maryland, USA) vedená Marcem Chiatergem. Využili snímky z různých oborů spektra: blízký infračervený obor a ultrafialový obor z HubblaHST (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., vizuální obor z přehlídky 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. a rentgenový obor z vesmírné observatoře 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″.. Na snímcích je dobře patrný jasný kvazarKvazar – 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. 3C 186, obří černá díra o hmotnosti větší než miliarda sluncí, s charakteristickými výtrysky ve dvou opačných směrech. Pokud by takový kvazar byl v centru mateřské galaxie, nevěnoval by objektu nikdo větší pozornost. V naprosté většině galaxií se v jejích nitrech nachází obří černá díra – i v naší galaxii je v centru černá díra o hmotnosti 4 miliony Sluncí.

Pozorovaný kvazar (obří černá díra) je ale 1,3 úhlové vteřiny od jádra, tomu při vzdálenosti 8 miliard světelných roků odpovídá vzdálenost 11 kiloparsekůParsek – jednotka vzdálenosti, tzv. paralaktická sekunda. Jde o vzdálenost, ze které by velká poloosa dráhy Země kolem Slunce byla vidět pod úhlem jedné obloukové vteřiny. Číselně je 1 pc = 30×1012 km, což je zhruba 3,26 světelného roku. Často používanými násobky jsou kiloparsek (kpc) a megaparsek (Mpc). (35 000 světelných roků). To je větší vzdálenost, než má naše Sluneční soustava od středu naší Galaxie, Mléčné dráhy (26 000 světelných roků). Z pořízených spekter bylo zjištěno, že se tato obří černá díra pohybuje nemalou rychlostí 7,5×106 kilometrů za hodinu (2×106 metrů za sekundu), tj. 0,7 % rychlosti světla. S takovou rychlostí by díra ulétla vzdálenost od Slunce k PlutuPluto – spolu s Charonem tvoří trpasličí dvojplanetu v Kuiperově pásu, která patří do rodiny plutoidů. Do roku 2006 byl Pluto řazen konvenčně mezi planety. V blízkosti jsou čtyři menší měsíce Nix, Hydra, Kerberos a Styx. Pluto oběhne Slunce jednou za 248 pozemských let po protáhlé, eliptické dráze. Kolem vlastní osy se otáčí v opačném smyslu, než obíhá. Jeho povrch, kde je nejvíce zastoupen dusíkový a metanový led, dobře odráží světlo. Dráha Pluta je mimořádně excentrická, v některých obdobích je blíže ke Slunci než Neptun (1979–1999). Sklon dráhy k rovině ekliptiky je 17,1°. Sklon rotační osy od kolmice na rovinu dráhy je 122,5°. Pluto se, podobně jako Uran, odvaluje v rovině dráhy. za 33 dní! Naše nejrychlejší sonda New HorizonsNew Horizons – americká sonda, která se vydala na cestu k Plutu v lednu 2006. Sonda byla vynesena raketou Atlas V551. Opuštění Zeměkoule bylo propočteno tak, aby sonda letěla nejprve k Jupiteru, který ji urychlil na cestu k Plutu. Po průletu kolem Pluta a Charónu v červenci 2015 mise pokračuje do oblasti dalších transneptunických těles v Kuiperově pásu. k Plutu letěla téměř deset roků. Takové přirovnání ale poněkud pokulhává, uvědomíme-li si, že poloměr černé díry ve středu kvazaru je srovnatelný s průměrnou vzdáleností mezi námi a Plutem. Pokud se černá díra bude pohybovat nezměněným tempem, opustí za 20 milionů roků mateřskou galaxii a stane se samostatným zbloudilým tulákem ve vesmíru.

Rentgenový obraz 3C 186 z Chandry

Rentgenový obraz kvazaru 3C 186 z Chandry. Zelený kruh označuje střed mateřské galaxie. Orientace obrázku: sever je nahoře, západ napravo. Zdroj: Chandra.

Nadějný scénář

Při detailní analýze snímků z Hubblova dalekohledu vědci objevili nevýrazné obloukové rázové vlny, které by mohly být klíčem k vyřešení záhady. Takové útvary totiž vznikají jako důsledek slapových silSlapová síla – rozdíl gravitačních sil působících na různé části tělesa. Například Země působí na naše nohy větší gravitační silou než na hlavu, rozdíl je ale zanedbatelný. Slapové síly Měsíce působící na Zemi jsou příčinou přílivu a odlivu a také příčinou výměny momentu hybnosti mezi Měsícem a Zemí, která vede k postupnému vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce. Ve větších měřítkách působí slapové síly například při prolínání dvou galaxií. při slučování galaxií. Slučování galaxií bylo ve vesmíru dříve velmi častým jevem, protože galaxie byly k sobě podstatně blíže. Srážející se galaxie se nejprve prolínají, gravitačně ovlivňují a nakonec splynou v galaxii s jednodušší strukturou, zpravidla v eliptickou galaxii bez jakýchkoli spirálních ramen. Černé veledíry přítomné v jejich středech se k sobě přiblíží a začnou obíhat jedna kolem druhé. Takový oběh je doprovázen intenzivním vyzařováním gravitačních vln, které by nakonec mělo vést ke splynutí obou černých veleděr. Zatím jsme pozorovali sloučení dvou černých děr hvězdných hmotností, pozorování sloučení obřích černých děr není stávajícími detektory možné, neboť emitované gravitační vlny mají příliš nízké frekvence. Po vybudování vesmírného interferometru eLISALISA – Laser Interferometry Satellite Antenna, společný projekt ESA a NASA tří sond obíhajících kolem Slunce. Jejich cílem mělo být interferometrické měření gravitačních vln. Ramena interferometru (vzájemná vzdálenost sond) měla být 5 000 000 km. Realizace se postupně odsouvala, v roce 2011 NASA konstatovala, že projekt nemůže z finančních důvodů uskutečnit. ESA v projektu pokračovala pod názvem NGO (New Gravitational Observatory), v roce 2012 ale byla dána přednost jinému velkému projektu JUICE (mise k Jupiteru). V současnosti je projekt opět vzkříšen pod názvem eLISA (evolved LISA), ramena interferometru by měla být veliká milion kilometrů a zařízení by mělo startovat v roce 2034. V roce 2017 se projekt dostal pod označením L3 do úzkého výběru velkých (L, Large) misí Evropské kosmické agentury. (2034) bude ale možné detekovat i tyto procesy.

Pokud mají veledíry různé hmotnosti a různý moment hybnosti, měly by být podle teorie gravitační vlny vyzařovány nesymetricky, tj. v určitém preferovaném směru odchází větší množství energie než ve směru opačném. Na centrální objekt působí reakční síla, která dokáže udělit vzniklé obří černé díře vysokou rychlost a doslova ji „vykopnout“ ze středu nově vzniklé galaxie. Právě tento scénář je ve velmi dobré shodě se všemi pozorováními objektu a pachatelem by tedy mohly být gravitační vlnyGravitační vlna – periodicky se šířící zakřivení času a prostoru. Může vzniknout v okolí těles s nenulovým kvadrupólovým momentem, například kolem dvojice rotujících kompaktních hvězd. Právě tyto vlny by měly být nejběžnější a mít frekvenci od 0,1 mHz do 10 kHz. K první přímé detekci gravitačních vln došlo dne 14. září 2015. Gravitační záblesk ze splynutí dvou černých děr středních hmotností ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných roků zachytily oba americké přístroje LIGO.. Je docela pravděpodobné, že k vymrštění centrální černé veledíry při sloučení dvou galaxií tu a tam dochází a mezigalaktickým prostorem se toulají osamělé obří černé díry, jejichž příslušnost k nějaké galaxii byla dávno zapomenuta.

Scénář vymrštění černé veledíry při nesymetrickém vyzařovámí gravitačních vln

Scénář vymrštění černé veledíry při nesymetrickém vyzařování
 gravitačních vln. Zdroj: HST/Johns Hopkins University.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage