12. května 2023
Evropská mise Gaia je zaměřená především na oblast astronomie známou jako astrometrie. Jde o vědní obor, který zkoumá pozice a pohyby hvězd, ale i dalších kosmických těles nejen v naší Galaxii. Gaia je přímým pokračováním mise Hipparcos, která zmapovala asi dva a půl milionu hvězd. Nová družice však měla daleko ambicióznější cíl, totiž určit pohyby a polohy asi jedné a půl miliardy hvězd. Už nyní je jasné, že tento cíl sonda překročila a to ještě zdaleka není na konci své činnosti. Nicméně kvůli tomu zde dnes nejsme. Gaia totiž dokázala zachytit i některé další pozoruhodné objekty. O jednom jejím velkém úspěchu z nedávné doby si dnes budeme povídat.
Černé díry
Lokalizace černé díry Cygnus X-1 v souhvězdí Labutě.
Zdroj: https://astronomy.com/
Už v minulých článcích jsme si vysvětlovali, že černé díry jsou hmotné objekty s natolik silným gravitačním polem (či přesněji zakřivením prostoročasu), že z nich nemůže uniknout žádná hmota, dokonce ani světlo ne (Hawkingovo záření nyní nechme stranou). Tyto objekty předpovídala již Einsteinova obecná relativita. Mnoho fyziků se sice jejich existenci bránilo, ale Penrose v 60. letech prokázal, že existence černých děr přímo plyne právě z obecné relativity.
Krátce na to, na přelomu 60. a 70. let byla konečně objevena i první černá díra, známá jako Cygnus X-1. Nejprve vědci objevili zvláštní hmotný objekt vydávající silné rentgenovské emise v souhvězdí Labutě. Jeho přesná povaha ovšem nebyla úplně zřejmá. Později se podařilo prokázat, že jde o těleso tak malé a současně hmotné, že nemůže jít o nic jiného, než o černou díru. Jde přitom o černou díru hvězdné velikosti. To znamená, že vznikla zhroucením masivní hvězdy na konci života a má také hmotnost odpovídající asi 15 hmotám Slunce (15 MS). Existují i výrazně těžší, tzv. supermasivní, černé díry. O těch jsme se ale bavili minule. Dnes zůstaneme u těchto lehkých hvězdných děr.
Systém Cygnus X-1 v představách malíře. Dobře je viditelný i akreční disk u černé díry vpravo.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/
Jak se vlastně povedlo Cygnus X-1 objevit, když víme, že černé díry nijak nezáří? Inu, černá díra sama skutečně žádné záření neemituje. Máme však štěstí, protože tato černá díra se nepohybuje v galaxii osamoceně, ale je doprovázena velmi masivní a jasnou hvězdou spektrální třídy O. Z této hvězdy si černá díra přetahuje materiál, který na ni padá a rozprostírá se do tzv. akrečního disku. Jde o prstenec materiálu obíhajícího kolem černé díry. V tomto disku probíhají fyzikální procesy, které zahřívají plazma až na milion stupňů Celsia. Díky tomu můžeme vidět silné rentgenovské emise.
Uprostřed snímku hvězda A0620-00. Ta má u sebe souputníka, což je hvězdná černá díra.
Zdroj: https://ichef.bbci.co.uk/
Od doby objevu Cygnus X-1 jsme již objevili množství dalších černých děr, nicméně se stále jedná o sedmou nejbližší černou díru. Do roku 1986 šlo dokonce o nejbližší známou černou díru. Od nás ji totiž dělí jen 7 300 světelných let, což je na vesmírné poměry téměř za rohem. V polovině 80. let se ovšem povedlo objevit černou díru A0620-00. Ta od nás leží asi 4 600 světelných let a to ve směru souhvězdí Jednorožce. Donedávna šlo o nejbližší známou černou díru, to ale změnila observatoř Gaia.
Gaia
Astrometrická družice Hipparcos
Zdroj: https://www.esa.int/
Mise Gaia byla realizována v programu evropské kosmické agentury nazvaném Horizon 2000 Plus jako první z celkem tří misí. Jak už jsme si řekli, Gaia slouží především astrometrii a je nástupcem družice Hipparcos. Jméno Gaia bylo původně akronymem, po změně parametrů „jen“ odkazuje na bohyni Země z řecké mytologie.
Start z evropského kosmodromu Kourou ve Francouzské Guyaně proběhl koncem roku 2013, poté následoval krátký přelet do blízkosti libračního centra L2 soustavy Slunce – Země. Od té doby sonda měří a zatím je stále v dobrém stavu, vědci proto doufají, že ještě nějakou dobu bude poskytovat cenná data.
Gaia
Zdroj: https://gaia-mission.cnes.fr
Většina výsledků z mise Gaia není uveřejňována průběžně, ale jen jednou za čas v tzv. balíčcích. Těch bylo již několik. O tom posledním z poloviny loňského roku jsme se zde již bavili více v samostatném článku. V budoucnu by mělo dojít k uveřejnění ještě přinejmenším dvou dalších balíčků s novými údaji. Nicméně občas se stane, že se nějaké nové objevy dostanou ven i mimo zmíněné balíčky. Vědci totiž data zpracovávají průběžně a občas v nich narazí na hotový poklad.
Nové černé díry
Umělecká představa systému Gaia BH1.
Zdroj: https://cdn.sci.news/
Dva takové našli odborníci nedávno, když v napozorovaných datech nalezli hned dvě nové černé díry. Ty samy o sobě nic nevyzařují. Nicméně jsou v binárních systémech s hvězdami hlavní posloupnosti a tak byly nalezeny díky svému působení na tyto objekty. Kolébání hvězd naznačovalo, že jsou v systému s velmi hmotným tělesem, které vykazuje v obou případech hmotnost zhruba 9-10 MS. S ohledem na to, že nevyzařují žádné světlo, neexistuje zde jiné vysvětlení, než to, že jde o nově objevené černé díry.
Až donedávna jsme všechny černé díry našli buď díky záření z okolního akrečního disku nebo přímo pomocí gravitačních vln. V tomto případě je ale situace jiná. Specialisté pozorovali přímý vliv černých děr na souputníka v systému. Využili tedy při objevu jejich gravitačních účinků. Na rozdíl od černých děr v rentgenových dvojhvězdách (jako Cygnus X-1) jsou v tomto případě od sebe černá díra a její společník výrazně dále. To otevírá nové velmi zajímavé možnosti co do objevování a zkoumání černých děr. Ale i sám o sobě je objev významný, neboť značí nalezení dosud neznámé skupiny černých děr.
Lokalizace dvou nově objevených černých děr na obloze.
Zdroj: https://www.esa.int/
A jaké jsou tedy konkrétně nové černé díry? První z nich nazývaná Gaia BH1 leží 1 560 světelných let od nás ve směru souhvězdí Hadonoše. Jde tak o vůbec nejbližší dosud známou černou díru. A co více, její mateřská hvězda patří do spektrálního typu G, stejně jako naše Slunce (její hmotnost je 0,93 MS). Druhá černá díra Gaia BH2 je vzdálená 3 800 světelných let a to ve směru souhvězdí Kentaura (její hvězda má hmotnost 1,07 MS). Oba objekty leží, na kosmické poměry, přímo v našem sousedství.
Důležitost pozorování více přístroji
Rentgenová observatoř Chandra.
Zdroj: https://www.nasa.gov/
Bez nadsázky lze konstatovat, že bez družice Gaia by objev dvou nejbližších černých děr nebyl možný. Přesnost měření je u této moderní kosmické observatoře bezprecedentní. Nicméně ani Gaia sama o sobě by nestačila. Astronomové ještě potřebovali zpřesnit a ověřit určení radiální rychlosti pozemskými observatořemi. Také ony v konečném důsledku hrály poměrně zásadní roli.
Do průzkumu se zapojily i rentgenová družice Chandra a pozemská soustava radioteleskopů MeerKAT (umístěná v Jihoafrické republice), které pátraly po rentgenovských nebo rádiových emisích z případného akrečního disku. Ale bezvýsledně. To značí, že horizont událostí černé díry nepřekračuje příliš velké množství částic. A to i přesto, že doprovodnou hvězdu naopak opouští formou hvězdného větru vcelku hodně materiálu. Zde se opět mohla projevit velká vzdálenost hvězdy a černé díry. Gaia BH1 a BH2 jsou od svých hvězd dokonce vzdáleny nejvíce ze všech známých černých děr.
Soustava radioteleskopů MeerKAT.
Zdroj: https://content.presspage.com/
Je možné, že takovéto černé díry, jež jsou v dvojhvězdném systému, avšak dosti daleko od svých doprovodných hvězd, jsou ve vesmíru běžné. Další objekty tohoto typu by tedy jen mohly čekat až je fyzikové naleznou. Už jen pouhá existence takových soustav ale astronomy enormně zajímá. Díky nim musí lehce upravit naše představy o vývoji binárních hvězdných systémů. U našeho příkladu s černými dírami Gaia BH1 a BH2 totiž není jasné, jak se podobné soustavy zrodily.
Závěr
Nové černé díry jsou předmětem dalšího intenzivního výzkumu. Stejně intenzivně se pátrá i po dalších objektech tohoto typu. Pomoci by nám měla opět Gaia se svým novým balíčkem dat obsahujícím výsledky za 66 měsíců pozorování. Ten by měli vědci zveřejnit roku 2025. Očekávají se detailnější informace o Gaia BH1 a BH2, ale především bychom se mohli dočkat poměrně solidního množství dalších objevených černých děr.
Použité a doporučené zdroje
- ESA Gaia: https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia
- NASA Chandra: https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/main/index.html
Zdroje obrázků
- https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2013/12/gaia_mapping_the_stars_of_the_milky_way/13461326-3-eng-GB/Gaia_mapping_the_stars_of_the_Milky_Way.jpg
- https://astronomy.com/-/media/Images/Weirdest%20Objects/26%20through%2037/DeceptivelyDocile.jpg?mw=600
- https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/af/Cygnus_X-1.png
- https://ichef.bbci.co.uk/news/976/cpsprodpb/D5F7/production/_112157745_eso2007c-1.jpg
- https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2002/02/hipparcos_testing/9169538-5-eng-GB/Hipparcos_testing_pillars.jpg
- https://gaia-mission.cnes.fr/sites/default/files/styles/large/public/drupal/201507/image/bpc_gaia-illustration_p44224.jpg?itok=P-yzxcYO
- https://cdn.sci.news/images/enlarge10/image_11364e-Gaia-BH1.jpg
- https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2023/03/gaia_s_black_holes/24772472-1-eng-GB/Gaia_s_black_holes_pillars.jpg
- https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/chandra_.jpg
- https://content.presspage.com/uploads/1369/1920_meerkat.jpg?10000
Rubrika 
Štítky: 
Nahrávání ...
Ten proces vzniku bude opravdu zajímavý. Čistě můj laický pohled říká, že jedna varianta je, že šlo původně o dvojhvězdu, kde jedna hvězda byla obrovská (řádově desítky Ms) a druhá je de-facto taková, jaká je. Ta velká rychle „spálila“ své zásoby paliva, udělala velké divadlo (supernova) a zhroutila se do černé díry. Takový proces ale musel být poměrně náročný i pro jejího souputníka. Většina hmoty velké hvězdy byla výbuchem vyvržena do okolního prostoru, takže malá hvězda musela přežít samotný výbuch a pak najednou obíhala kolem mnohem lehčího tělesa. To by mělo znamenat, že původně musela být mnohem blíž, což vliv exploze supernovy na ni jistě ještě zvýšilo.
Druhá možnost je, že se ta běžná hvězda vytvořila až po výbuchu supernovy právě z materiálu, který vyvrhla (ten sice obsahuje i prvky těžší, než železo, ale stále tam bude, myslím, i hodně vodíku pro běžnou hvězdu hlavní posloupnosti), ale který neopustil gravitační vliv černé díry – možná se vytvořil takový prstenec a z něj pak i hvězda.
Uvažuji správně, nebo jsou i jiné možnosti? Pokud uvažuji správně, tak by asi hodně mohlo napovědět spektrum té hvězdy, konkrétně podíl těžších prvků.
Momentálně bohužel nemám čas na delší reakci, takže jen heslovitě. Ano, myslím, že to říkáte v zásadě správně. Pokud bychom chtěli být hodně mírní, pak by možnost byla i pozdější zachycené hvězdy černou dírou, ale to je extrémně nepravděpodobné, takže to už se spíše pohybujeme v říši velkých spekulací.
Když z hvězdy, nebo jejího zbytku po explozi vznikne CD, má gravitaci odpovídající množství hmoty, ze které vznikla, ne?
Proč tedy mají CD tak hrozivou gravitaci, když původní hvězdy ji nemají?
Diky
Jde o to, že v ČD je ta hmota, a tím pádem i její gravitace, extrémně zhuštěná. Gravitační síla klesá s druhou mocninou vzdálenosti. Takže když si představíte třeba hvězdu o hmotnosti Slunce, tak ta má velikost cca milion kilometrů, takže i když jste těsně u jejího povrchu, většina její hmoty je od vás hodně daleko (stovky tisíc km) a tedy celková gravitační síla není zas tak velká.
Zatímco když z té hvězdy uděláte černou díru, smrskne se do průměru jednotek kilometrů, takže celá ta ohromná hmota bude od Vás jen těch pár km, a gravitační síla bude ohromná.
Jasné, to chápu. Bude ale gravitace u CD větsi ve vzdálenosti odpovídající odpovídající původnímu poloměru hvězdy? Tedy v místě kde byl před kolapsem její povrch?
Záleží na tom, jestli to bereme reálně, nebo jako myšlenkové cvičení. Začnu tím druhým – pokud by hvězda z nějakého důvodu z ničeho nic jen „zhasla“ a zkolabovala do černé díry a měla by tedy stále stejnou hvězdu, tak se v prostoru mimo ni z gravitačního hlediska v podstatě nic nezmění (přímo na místě původního „povrchu“ hvězdy bude gravitace lehce jiná, což je dáno odlišnou distribucí hmoty, ale myslím, že Vám jde o princip, takže detaily zanedbejme).
Reálně však kolaps do černé díry není poklidný děj připomínající zhasnutí žárovky, ale naopak jde typicky o gigantickou explozi, při níž se hvězda většiny své původní hmotnosti zbaví a pouze relativně malý zbytek skončí jako černá díra. Z tohoto pohledu bude tedy na místě původního „povrchu“ gravitace naopak mnohem slabší, než byla původně.
Ještě oprava, mělo tam být „stále stejnou *hmotnost*“, ne *hvězdu*…
Jednoduchý příklad. Pokud bychom stlačili Zemi na velikost třeba míče nebo pomeranče nebo tak nějak, prostě nepředstavitelně, tak vznikne černá díra a množství hmoty se nezmění.
Děkuji kolegům výše, kteří se pustili do vysvětlování. Já bych totiž poznamenal, že jsem Vám na tuto otázku již několikrát odpovídal a to nejen pod články, ale máme dojem, že i v pokecu. Takže si lze odpověď snadno dohledat a nyní si tedy dovolím tuto otázku ignorovat.
Ano, odpovídal, ale vždy byla myslím pochopena trochu jinak, jež jsem ji myslel, nebo jsem ji špatně položil. Prostě jsem v tom laik, nebo jsem nechápavý a pak se omlouvám.