Astronomové poprvé změřili rotaci supermasivní černé díry

Schematický obrázek znázorňující kolísaní akrečního disku vytvořeného z pozůstatků rozpadlé hvězdy. Levý panel ukazuje fázi precese, kdy se akreční disk blíží konfiguraci při pohledu zkraje, což má za následek menší pozorovanou plochu disku, a tedy nižší svítivost. Pozorovatel vidí především chladnější, vnější části kolísajícího se disku. Pravý panel znázorňuje téměř čelní fázi precese, kdy je viditelná plocha disku větší, a tudíž se zvýší i svítivost. Vnitřní, teplejší části disku jsou pak plně odhaleny. Kredit: Michal Zajaček/MUNI.

Vědecký tým astronomů z Massachusetts Institute of Technology (MIT), Masarykovy univerzity, NASA a dalších institucí má nový způsob, jak změřit, jak rychle se černá díra otáčí, a to pomocí kolísavých plynných pozůstatků jejího působení na hvězdu. Vědci ukázali, že kolísání nově vytvořeného akrečního disku je klíčem k určení vlastní rotace centrální černé díry.

Akreční disk je tvořen ionizovaným plynem, který obíhá kolem supermasivní černé díry rychlostí zlomku rychlosti světla. V důsledku přeměny gravitační potenciální energie na kinetickou energii a teplo se plyn zahřívá na teplotu několika set tisíc až milionů stupňů Celsia. Akreční disk tak intenzivně září v ultrafialové a rentgenové oblasti spektra.

„Když se hvězda přibližuje k černé díře z libovolného směru, nově vzniklý disk je zpravidla vychýlen vůči rotaci černé díry. V silně pokřiveném prostoročase je disk strháván rotací černé díry, což způsobuje jeho periodické kývání. Dlouho se předpokládalo, že by to mělo vést k pravidelné proměnlivosti vyzařování disku. Tento efekt se nám poprvé podařilo detekovat a použít k určení míry rotace černé díry. Zaznamenaná událost AT2020ocn posloužila jako ukázková laboratoř černých děr,“ vysvětluje Michal Zajaček z Ústavu teoretické fyziky a astrofyziky Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity, který patří mezi hlavní autory studie a který na naměřené rentgenové záblesky aplikoval několik modelů akrečního disku, z nichž odvodil rotaci černé díry.

Nová metoda pro měření rotace černých děr využívá slapového rozrušení hvězdy působením černé díry, tj. situace, kdy gravitační síly působící na hvězdu naruší její celkovou soudržnost a hvězda se rozpadne. Tento jev je doprovázen mimořádně jasným zábleskem. Jak je hvězda narušována obrovskými slapovými silami černé díry, polovina hvězdy je odfouknuta, zatímco druhá polovina je vržena do okolí černé díry a vytváří intenzivně horký akreční disk rotujícího hvězdného materiálu. 

Ve studii, která vyšla v časopise Nature, astronomové uvádějí, že změřili rotaci blízké supermasivní černé díry sledováním průběhu rentgenových záblesků, které černá díra produkovala bezprostředně po slapovém roztrhání hvězdy. Tým pozoroval záblesky po dobu několika měsíců a zjistil, že jsou pravděpodobně projevem jasného horkého akrečního disku, který se kymácí sem a tam, jak je tlačen a tažen vlastní rotací černé díry. Sledováním změn kolísání disku v čase mohli vědci zjistit, jak moc je disk ovlivňován rotací černé díry a jak rychle se otáčí samotná černá díra. Jejich analýza ukázala, že černá díra se otáčí rychlostí menší než 25 % rychlosti světla, což je na poměry černých děr poměrně pomalé.

Michal Zajaček 

„Zdroj záblesků je z kosmologického hlediska stále relativně blízko, je vzdálen asi miliardu světelných let. Klíčem k detekci tohoto typu vzplanutí, jehož zdrojem je kmitající disk tažený rotací černé díry, bylo rychlé a velmi časté pozorování bezprostředně po rozpadu hvězdy kolem supermasivní černé díry. Je to proto, že nově vzniklý akreční disk se zformuje krátce po rozpadu a jeho precesní pohyb trvá jen omezenou dobu, poté se srovná s rovinou rovníku a precese se zastaví. Teoreticky byl tento jev, precese akrečního disku, který vzniká v rovině nakloněné k rotaci černé díry, předpovězen již dávno. Chyběla však pohotová měření rentgenovými dalekohledy, která by tento jev zaznamenala krátce po slapovém rozpadu hvězdy. Poprvé se nám podařilo tento jev pozorovatelsky potvrdit a následně jsme s pomocí známé teorie zjistili, že dotyčná supermasivní černá díra rotuje spíše pomaleji, extrémně rychlou rotaci bylo možné vyloučit," vysvětluje Michal Zajaček. 

„Nová metoda by mohla být v příštích letech použita k měření rotace stovek černých děr v místním vesmíru,“ říká hlavní autor studie, vědecký pracovník MIT Dheeraj „DJ“ Pasham. Pokud se vědcům podaří touto metodou prozkoumat rotace mnoha blízkých černých děr, mohou začít chápat, jak se gravitační obři v průběhu historie vesmíru vyvíjeli. „Díky tomu, že v příštích letech budeme touto metodou studovat několik systémů, mohou astronomové odhadnout celkové rozložení rotačních momentů černých děr a pochopit dlouholetou otázku, jak se vyvíjejí v čase,“ dodává Pasham, který je členem Kavliho institutu pro astrofyziku a kosmický výzkum na MIT.

Michal Zajaček k tomu dodává: „Z astronomických pozorování nyní víme, že supermasivní černé díry se vyvíjejí společně se svými hostitelskými galaxiemi. Důvodem je především to, že supermasivní černé díry v centrech galaxií generují v určitých obdobích velké množství energie, která v podobě jetů a souvisejících šoků ovlivňuje tvorbu hvězd v celé galaxii. V tomto ohledu nám pochopení vývoje supermasivních černých děr, například pomocí přesněji měřených rychlostí rotace, umožní lépe porozumět i vývoji celých galaxií."

S hlavním autorem, Dheerajem "DJ" Pashamem z MIT, se Michal Zajaček seznámil při spolupráci na jiné galaxii, kde byl pozorován pravidelný ultrarychlý výron plazmy. Následně ho Dheeraj „DJ" Pasham kontaktoval ohledně modelování rentgenových erupcí z tohoto zdroje, a protože měl Michal Zajaček za sebou předchozí práce týkající se precese akrečních disků a jetů, spolupráce na této studii tedy byla přímočará. 

Výzkum byl částečně financován NASA, Evropskou kosmickou agenturou a Grantovou agenturou České republiky.

 

Zdroj: Masarykova univerzita v Brně