Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 3
Vesmír č. 3
Toto číslo vychází
9. 3. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Březnové číslo Vesmíru
• Biologické čtvrtky ve Viničné
program na nejbližší semestr

Superhmotné černé díry, pulzující srdce galaxií

Publikováno: Vesmír 94, 210, 2015/4

Hvězda S2 v cetrální části objektu Sagittarius A* pomohla určit vzdálenost ke středu Mléčné dráhy (25 897 světelných roků) a odhadnout hmotnost superhmotné černé díry v jejím středu.

Hvězdy, které můžeme každou jasnou noc spatřit neozbrojeným okem na noční obloze, náležejí do našeho hvězdného ostrova – galaxie zvané Mléčná dráha. Pohromadě je udržuje gravitační přitažlivá síla všech ostatních hvězd, jejichž vliv se kombinuje s gravitačním působením temné hmoty. V samotném jádru Galaxie se pak ukrývá velmi hmotný a neobyčejně kompaktní temný objekt, superhmotná černá díra.

Tento dnes běžný astronomický pojem zavedl a prosadil pro označení gravitačně zkolabovaného objektu slavný americký fyzik John Wheeler, když v r. 1967 uvažoval o možnosti, že by ve vesmíru mohly reálně existovat hypotetické koncentrace hmoty-energie tak nesmírně zahuštěné, že ani světelný paprsek nedokáže uniknout z jejich blízkosti. Základní matematická teorie černých děr byla ovšem podána německým fyzikem Karlem Schwarzschildem krátce po zformulování Einsteinovy obecné teorie relativity v roce 1915 a přesně tento termín „black hole“ použila vědecká redaktorka Anna Hewingová již ve své reportáži z konference Americké asociace pro pokrok ve vědě pro vydání Science News Letters z ledna 1964.

Dnes se astronomové domnívají, že prakticky každá nebo téměř každá z mnoha miliard galaxií ukrývá ve svém nitru černou díru. Nezpochybnitelnou jistotu však nemáme a snad ani mít nemůžeme. Černé díry nevydávají světlo, elektromagnetické záření, které téměř výhradně zprostředkuje astronomům informace o okolním vesmíru. Přítomnost černé díry v jádru naší vlastní Mléčné dráhy je velmi pravděpodobná díky řadě přesných měření, prováděných různými navzájem nezávislými metodami.

Jak často jsou vědecké objevy výsledkem lidské zvědavosti a zvídavosti! V první polovině třicátých let minulého století studoval Karl Guthe Jansky, americký fyzik považovaný za otce radioastronomie, původ rušivých zvuků ovlivňujících transatlantické spojení. Zaznamenal zvláštní šum, jehož zdroj byl zcela nejasný. Jansky se zprvu domníval, že by tento rušivý signál mohl pocházet ze Slunce. Avšak podrobným zkoumáním zjistil, že zdrojem je celý pás Mléčné dráhy, přičemž maximum se nalézalo v souhvězdí Střelce. Tím získal první stopu čehosi záhadného, skrývajícího se v samém nitru Galaxie.

Astronomové Bruce Balick a Robert Brown prováděli následná radiová měření s cílem přesně lokalizovat polohu a strukturu tohoto radiového objektu. Po pečlivé analýze mohli konečně v r. 1974 zveřejnit studii nazvanou Jasná struktura v centru Galaxie o rozměru menším než jedna oblouková vteřina. Společně s pionýrskými pracemi z konce šedesátých let o záření produkovaném v silných gravitačních polích jde o první skutečnou identifikaci superhmotné černé díry ve vesmíru. Pozoruhodný objekt dnes nese označení, které mu patrně přiřkl sám Brown v analogii se způsobem označování excitovaných stavů v atomové fyzice: Sagittarius A*.

Moderní astronomické teleskopy a zdokonalené citlivé antény začaly na přelomu 20. a 21. století konečně poodhalovat tajemství objektu Sagittarius A*. Infračervené kamery dokážou proniknout až do bezprostřední blízkosti středu Mléčné dráhy, kde objevily neobvyklou rodinu hvězd obíhajících velkou rychlostí okolo – zdánlivě ničeho. Krouží kolem prázdného bodu, jehož pozice přesně koinciduje s objektem Sagittarius A*.

Nejvýraznější hvězda v této centrální oblasti nese katalogové označení S2 a její oběžná doba činí pouhých 15,56 roku. Proměřením trajektorie v prostoru (viz obr. 2) a určením dráhových parametrů se podařilo zpřesnit vzdálenost kompaktního zdroje: střed Galaxie je od nás 25 897 světelných roků daleko (světlo zaznamenané dnes v dalekohledu bylo vyzářeno před 25 897 lety). Pomocí třetího Keplerova zákona je pak možné stanovit hmotnost černé díry, jež činí 3 až 4 miliony slunečních hmotností.

Další podrobné mapování vnitřních částí Mléčné dráhy přivedlo astronomy k celé rozsáhlé sbírce aktivních oblastí a obrovských molekulárních oblaků, jejichž tvar a složení odrážejí bouřlivou historii černé díry a jejího kosmického prostředí. Řada otazníků však zůstává nezodpovězena.

Mezi fascinující nevysvětlené taje se řadí Fermiho bubliny, útvar objevený v r. 2010 s pomocí vysokoenergetického velkoplošného detektoru (Large Area Telescope) na americké družici Fermi.1) Tyto gigantické bubliny (obr. 1) vyzařují paprsky gama, které vycházejí ze dvou zón rozložených symetricky severojižním směrem, jedna nad rovinou Galaxie a druhá na spodní straně. Okraje bublin jsou velice ostré a průměr každé bubliny dosahuje 25 000 světelných roků.

V průběhu uplynulých pěti let vykonali pozorovatelé mnoho měření a teoretici vypracovali řadu hypotéz, avšak původ bublin zůstává obestřen tajemstvím. Možná jde o pozůstatek dřívější velké aktivity superhmotné černé díry. Podobně jako řada ostatních aktivních galaxií mohla i naše Mléčná dráha kdysi vyvrhovat hmotu v podobě úzkých a vysoce soustředěných výtrysků mířících ortogonálně k rovině Galaxie. Pokud se tato myšlenka ukáže jako pravdivá, bude to důkaz o velmi bouřlivé minulosti našeho galaktického středu. Znamenalo by to, že Sagittarius A* je ve srovnání se svými mnohem aktivnějšími sourozenci – vzdálenými kvasary – v klidném období svého vývoje (obr. 3).

Kvasi-stelární objekt – zkráceně kvasar – je extrémní druh vysoce energetického galaktického jádra, který lze nalézt ve velmi vzdálených (a tudíž mladých) aktivních galaxiích. Kvasary objevil Edward Fath již v r. 1909, avšak jejich přesnou klasifikaci podal až dánský astronom Maarten Schmidt o půl století později, v r. 1963. Kvasary se vyznačují celou řadou pozoruhodných vlastností, mezi nimiž dominuje obrovský zářivý výkon. S pomocí pozemních a satelitních teleskopů astronomové zjistili, že převážná část infračervené, optické, ultrafialové a rentgenové emise nevzniká ve hvězdách, nýbrž vychází z poměrně malé oblasti kolem centra. Vzhledem k velkému kontrastu v jasnosti jádra ve srovnání se zbytkem okolní hostinské galaxie se kvasary jeví jako bodové (tedy hvězdám podobné) zdroje na obloze.

Jaký je však původ neobyčejně intenzivního záření (až 10 000krát intenzivnějšího než vydává běžná galaxie)? Lynden-Bell jako první vyslovil domněnku, že je to způsobeno přítomností černé díry v jádře kvasaru, kde svou silnou gravitační přitažlivostí urychluje a zachycuje okolní plyn, který se zahřívá a září. V případě naší galaxie je však zásoba plynu v okolí černé díry již vyčerpána, a proto i míra akrece je velmi malá a výsledný energetický výkon je nepatrný v porovnání s kvasary.

Jakmile se množství plynu v okolí černé díry zvýší, vznikne z akreované hmoty diskovitý útvar – akreční disk. Viskozita plynu způsobuje vnitřní tření. V důsledku toho roste teplota a záření odnáší energii do okolí. Plyn pak klesá spirálovitým pohybem blíž k díře, až nakonec spadne pod horizont a je nenávratně pohlcen. Superhmotná černá díra působí jako jakási mohutná „kosmická pumpa“, která nasává plynný materiál ze svého okolí. Vytváří však i zajímavý protitlak. Pokud množství záření vygenerované v padajícím plynu přesáhne určitou kritickou hodnotu (tzv. Eddingtonovu mez), tlak záření působí proti gravitaci a dokáže odtlačit plyn směrem od černé díry. V konečném důsledku tedy její nesmírná přitažlivost vede paradoxně k vymrštění části hmoty směrem ven do okolního prostoru.

Kromě vlivu záření hraje roli ještě další efekt, který se projevuje především při formování úzce kolimovaných výtrysků, jež pozorujeme v 15 až 30 procentech kvasarů (viz obr. 5). Tyto plynné proudy dosahují délky desetitisíců, statisíců nebo dokonce až milionů světelných roků a jejich signál zaznamenáváme nejčastěji na radiových frekvencích. Jinými slovy tyto výtrysky zasahují daleko za hranici mateřské galaxie až do intergalaktického prostředí, kde se mnohdy pohybují relativistickou rychlostí, tedy rychlostí srovnatelnou s rychlostí světla. Spektra vydávaná výtrysky ukazují, že zářící hmota je urychlována působením magnetických polí, jež se pravděpodobně také zesilují v akrečním disku prostřednictvím dynamového jevu.

Přesto ale na úplné objasnění vzniku, urychlení a kolimace dosud čekáme. Vzhledem k jejich obrovské délce totiž není pravděpodobné, že by k vysvětlení stačil jen jediný proces. Nicméně nakonec se pohyb výtrysků mezigalaktickým prostředím přece jen přibrzdí a původně úzké svazky se vlivem Kelvinovy-Helmholtzovy nestability postupně rozptýlí do prostoru.

Z výše uvedených argumentů je patrné, že černé díry hrají důležitou úlohu v životě galaxií. Nasávají a současně odfukují okolní plyn a záření, čímž ovlivňují své galaktické hostitele. To má závažné důsledky pro vývoj galaxií a může nám to pomoci pochopit některá dosud nevysvětlená pozorování. Například z elementárních představ o vzniku galaxií vyplývá, že zastoupení jak velmi slabých, tak i velmi jasných galaxií by mělo být ve vesmíru početnější, než se ve skutečnosti pozoruje. Dosud neznámý jev zabraňuje nadměrnému ochlazování baryonové látky v halech těch nejmenších (ale i těch největších) galaxií, takže se plyn nezahušťuje dostatečně rychle. Tím je zpomalena tvorba nových hvězd.

Částečnou odpověď nacházíme s pomocí pozorování kvasarů, přesněji řečeno horkého plazmatu v jejich výtryscích, které hrají roli ve vývoji hostitelské galaxie. Svým pohybem v hustších plynných obálkách, obklopujících vnitřek kvasarů, indukují výtrysky turbulenci a značné množství vysoce energetických srážek, jež potlačují proces vzniku hvězd v jeho nejkritičtější počáteční fázi.

Turbulence v plynných oblacích působí proti kolapsu, čímž zpomaluje vznik nových hvězd. Tento efekt působí do té doby, dokud trvá vliv výtrysků. Pak se turbulence postupně zmírní a formování hvězd se může obnovit. Samotná tvorba hvězd je ovšem také velmi bouřlivý proces, při kterém se tvoří rychlé proudy hmoty a část stavebního materiálu je odvržena do vesmíru. Pokud k tomu dojde v blízkosti superhmotné černé díry, ta může takto rozptýlený materiál přitáhnout a akreovat. Tím dojde k opětovnému nastartování výtrysků, pozastavení tvorby hvězd a celý cyklus se opakuje (obr. 4).

Předmětem živých diskusí soudobé astrofyziky jsou nesčetné detaily; například jakým přesně způsobem funguje tato kosmologická zpětná vazba a jak dochází k regulaci životních pochodů v galaxiích a k obohacování kosmického prostředí o nové prvky. Chtěli bychom lépe pochopit především to, jaká byla historie galaktických jader v průběhu celého života hostitelské galaxie (obr. 6). Souhra gravitačního zachycování a elektromagnetického urychlování, kolimace a vyvrhování hmoty hraje významnou roli na nejrozmanitějších škálách vesmírné hierarchie, od vzniku a růstu galaxií přes jednotlivé hvězdy až k planetám.

Význam a vliv superhmotných černých děr se ještě víc zdůrazní, když si uvědomíme jejich astronomicky nepatrnou velikost, která je téměř srovnatelná s tím, co známe z naší pozemské zkušenosti. Rozměr takového objektu je přibližně stejný jako velikost sluneční soustavy, avšak superhmotná černá díra ovlivňuje svým působením celou galaxii. Jako kdyby jediná lidská bytost dokázala svým dechem ovlivnit celou zeměkouli. Tento nesmírný vliv černých děr má původ v jejich ohromném gravitačním potenciálu. Díky němu působí na okolní záření, plyn, prach a hvězdy a s jejich pomocí utvářejí své bezprostřední i vzdálenější okolí a celou hostitelskou galaxii. Ani naše Země by patrně nevznikla bez předchozího působení tohoto stále pozoruhodnějšího kosmického monstra.

Literatura

[1] Goss W. M., Brown R. L., Lo K. Y.: The Discovery of Sgr A*, Astronomische Nachrichten, Supplementary Issue 1, 497–504, 2003.

[2] Shields G. A.: A Brief History of Active Galactic Nuclei, Publications of the Astronomical Society of the Pacific 111, 661–678, 1999.

[3] Su M., Slatyer T. R., Finkbeiner D. P.: Giant Gamma-ray Bubbles from Fermi- LAT – Active Galactic Nucleus Activity or Bipolar Galactic Wind?, The Astrophysical Journal 724, 1044–1082, 2010.

[4] Irion R., Wanjek Ch., Brenneman L., Carlisle C.: Black holes – the Universe’s spinning hearts of darkness, Sky & Telescope 2012, eBook (free).

PRÉMIE JANA FRIČE

Prémii Jana Friče uděluje Astronomický ústav AV ČR svým mladým pracovníkům za mimořádné výsledky, kterými přispívají k prestiži ústavu v mezinárodním srovnání. Laureátem za rok 2014 se stal Dr. Frédéric Marin z Oddělení galaxií a planetárních systémů, který obdržel toto ocenění za soubor prací Zkoumání aktivních galaktických jader pomocí polarizace záření v infračerveném, optickém, ultrafialovém a rentgenovém oboru. Multispektrální analýza představuje v astrofyzice moderní přístup umožňující lépe porozumět fyzikálním pochodům probíhajícím ve vesmírných tělesech.

Jan Frič, po němž je Prémie pojmenována, byl bratrem zakladatele ondřejovské hvězdárny Josefa Friče. Jan zemřel předčasně 21. ledna 1897 a rok poté jeho bratr, tehdy už s převzatým křestním jménem zemřelého bratra, tedy Josef Jan Frič, vykoupil od obce Ondřejov pozemek pro stavbu hvězdárny. Bratři Fričové byli synovci Antonína Friče, v pořadí druhého vydavatele časopisu Vesmír.

Soubory

článek ve formátu pdf: V201504_210-213.pdf (471 kB)

Diskuse

Počet příspěvků: 1