Jedním z nejatraktivnějších témat astrofyziky jsou černé díry a vše kolem nich. Černé díry přitahují pozornost a prodávají knihy. Proč je zrovna o ně takový zájem? Jednak je to určitě zajímavým názvem, jednak tím, že v sobě obsahují jakési tajemno, což většinu lidí vždy fascinovalo. Navíc v sobě obsahují i jakousi konečnost a osudovost, což také může některé přitahovat. Ať tak či onak, právě černé díry jsou také častým tématem seriózních výzkumů. Kromě menších tzv. hvězdných černých děr se zkoumají i obří supermasivní černé díry, které sídlí v jádrech galaxií. Na jednu takovou studii se dnes podíváme podrobněji.

XMM-Newton

Příprava rentgenové observatoře XMM-Newton.
Zdroj: http://xmm.esac.esa.int/

Stojí za ním dva týmy astronomů, kteří použili velký rentgenový dalekohled Evropské kosmické agentury XMM-Newton. Tento přístroj připravili vědci a technici v rámci programu Horizon 2000. Teleskop měří na délku 10,8 metru, rozpětí solárních panelů dosahuje 16,1 metru a startovní hmotnost činila 3 764 kilogramů (tzv. suchá hmotnost, bez paliva, 3234 kg).

Do kosmického prostoru teleskop vynesla 10. prosince 1999 nosná raketa Ariane 5. Po úspěšném startu byl teleskop dopraven na cílovou oběžnou dráhu, která je ovšem poměrně neobvyklá. Jde sice o dráhu geocentrickou, ale perigeum se nachází ve výšce 5662,7 kilometru, zatímco apogeum dokonce 112 877,6 kilometru. Oběžná doba proto činí celých 2790 minut, což jsou téměř dva dny. Sklon dráhy vůči rovníku Země je pak 67,13 stupně.

V polovině roku 2000 začala vědecká činnost teleskopu, která měla původně trvat deset let, ale dalekohled je i dnes stále aktivní, takže slouží již více než 23 a půl roku. V tuto chvíli je schválen provoz do roku 2026. Hlavním úkolem observatoře je průzkum vesmíru v rentgenové oblasti elektromagnetického spektra. K tomu je teleskop vybaven třemi dalekohledy Wolterova typu, z toho každý má průměr 90 centimetrů. Ohnisková vzdálenost činí 7,5 metru a pozorovat šlo záření o energiích 0,1 až 12 keV.

Výzkum supermasivních černých děr

Známá supermasivní černá díra M87* v centru obří eliptické galaxie M87, která leží ve známé kupě galaxií v Panně. Snímek pochází z projektu Event Horizon Telescope.
Zdroj: https://content.api.news/

Jedním z témat, jimž věnují rentgenové teleskopy obecně, ne jen XMM-Newton, hodně pozornosti, jsou supermasivní černé díry. Z minulých článků už víme, že někdy může být centrum galaxie velmi jasné, protože daná supermasivní černá díra má v okolí hodně materiálu, který může plnit její akreční disk. Z tohoto disku hmota postupně padá do černé díry, především se ale v akrečních discích dějí zajímavé a dosud ne zcela objasněné fyzikální procesy, které uvolňují značné množství energie. Pokud se toto děje v jádru galaxie pravidelně, hovoříme o aktivní černé díře potažmo aktivní galaxii.

Zdaleka ne každá galaxie je ale aktivní, v takovém případě sice víme, že tam černá díra je, avšak obvykle máme problém přímo zahlédnout ji, respektive její okolí. Občas se ale stane, že se k černé díře přiblíží nějaký materiál, například v podobě hvězdy, jenž může černá díra slapovými silami rozervat na kusy. Následně se vytvoří disk trosek, které černá díra postupně polyká. Tyto procesy, kdy dochází ke slapovému narušení hvězdy a následně jejímu roztrhání, můžeme pozorovat jako emise rentgenového, ultrafialového, viditelného i rádiového záření. Obvykle po několik měsíců.

Umělecká představa supermasivní černé díry v centru velmi vzdálené galaxie.
Zdroj: https://www.sciencenews.org/

Tyto erupce záření se běžně vyskytují jednorázově, od rozervání hvězdy až do jejího pohlcení černou dírou. XMM-Newton však pozoroval něco docela jiného, totiž situaci, kdy došlo k opakovaným výronům záření z téže černé díry. Proč k tomu došlo? Velmi pravděpodobným vysvětlením je, že hvězda v okolí černé díry nebyla slapovými silami zničena najednou, ale k jejímu roztrhání došlo postupně, po částech.

V případě pozorované černé díry viděl XMM-Newton dvě nová zjasnění projevující se velmi zřetelně v rentgenovém a ultrafialovém oboru. To právě naznačuje, že první přiblížení k černé díře nedokázalo hvězdy zcela zničit. Podle fyziků z Evropské jižní observatoře a Institutu Maxe Plancka mohla část hvězd první interakci s černou dírou přežít. Měření totiž ukazují, že přinejmenším velké části hvězd nejsou pohlceny, ale pokračují po své oběžné dráze, aby se s černou dírou později setkaly znovu. To způsobuje ona zaznamenaná opakovaná vzplanutí.

eROSITA rentgenový přístroj zkonstruovaný Institutem Maxe Plancka pro mimozemskou fyziku (MPE) v Německu. Je součástí rusko-německé vesmírné observatoře Spektr-RG. Je nyní v hibernaci. Zdroj: DLR

Tato opakovaná zjasnění se podařilo detekovat ve dvou nezávislých galaxiích. Obě mají společné to, že leží poměrně daleko od nás, 900 respektive 1000 milionů světelných let. Jednu z událostí s příšerným názvem eRASSt J045650.3−203750 (Jára Cimrman by rozhodně nebyl rád) nalezl evropský rentgenový dalekohled eROSITA. Ten je umístěn na rusko-německé observatoři Spektr-RG. V kosmickém prostoru je od roku 2019, ale po barbarské a nevyprovokované invazi Ruska na Ukrajinu, došlo v únoru 2022 k vypnutí vědeckých přístrojů.

Černá díra požírající opakovaně jednu a tutéž hvězdu.
Zdroj: https://www.esa.int/

Již získaná data ale vědci dál mohli analyzovat, což pomohlo i tomuto konkrétnímu pozorování, byť sám objev je o něco dřívější. Již v letech 2021 a 2022 vědci na oblast zaměřili právě XMM-Newton a zjistili, že prvotní erupci následovaly zhruba každých 223 dní další vzplanutí. Zde se podařilo potvrdit, že poměrně razantní a divoké změny v množství přijímaného rentgenového záření jsou dány právě částečným narušením hvězd vlivem slapových sil, což se pravidelně opakuje až do úplného zničení.

Druhou událost s názvem AT2018fyk (ani zde by nebyl Cimarman potěšen, ale lepší než minule) objevil program All Sky Automated Survey for SuperNovae (ASAS-SN) určený primárně pro hledání supernov. Tento případ se vyznačoval jasnými emisemi rentgenového a ultrafialového záření trvajícími asi 500 dní. Poté následovalo poměrně náhlé zeslabení zdroje. Odborníci z výzkumného týmu ale použili XMM-Newton a byli svědky prudkého zvýšení jasu v rentgenové i ultrafialové oblasti a to zhruba 1200 dní od prvotního zachycení signálu.

Umělecká představa černé díry požírající hvězdu. https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/

Astronomové byli nejprve získanými údaji velmi zmateni a zkoumali různá možná vysvětlení. Pak si ale uvědomili, že by vše mohlo vysvětlit opakované narušování hvězd způsobené slapovými silami. Černá díra tedy nezničí hvězdu najednou, ale dělá to opakovaně, po částech. To víme díky observatoři XMM-Newton, jež opakovaně pozorovala okolí zmíněných černých děr a horký materiál, který je obklopuje.

Aby mohli tyto efekty podrobně prozkoumat, potřebovali fyzikové více než pět dní pozorovacího času teleskopu. Ale vyplatilo se to. Nová měření totiž velmi pomohou lépe pochopit vliv supermasivních černých děr na jejich bezprostřední okolí. Při obvyklém případu slapového narušení bychom totiž žádná další zjasnění, navíc tak krátce po prvotní erupci, neočekávali. To ukazuje, že takto postižené hvězdy musejí obíhat velmi blízko své černé díry. Objevily se dokonce náznaky, že některé z těchto hvězd byly původně součástmi binárních systémů, odkud si je černá díra vytáhla.

AT2018fyk v představě umělce.
Zdroj: https://www.eurekalert.org/

Týmy stojící za těmito výzkumy jsou složeny z odborníků z celého světa. Někteří pracují přímo s teleskopy XMM-Newton a eROSITA, ale nalezneme zde i vědce projektu Swift, ATCA nebo NICER. Také národnostní složení je velmi pestré, od specialistů z Německa a Polska, přes Chile, USA a Čínu až po Jihoafrickou republiku a Japonsko. Je to právě nadnárodní spolupráce, jež je v dnešní vědě důležitá.

Závěr

Za několik posledních desetiletí jsme nalezli vyšší desítky událostí, kdy došlo k narušení objektů vlivem slapových jevů. Dosud vždy to ale bylo u aktivních galaxií, jejichž černé díry mají kolem sebe akreční disk plný materiálu. Teprve nyní jsme ale poprvé spatřili takovéto efekty u černých děr, které jsou obvykle tmavé a tiché. Tedy až dokud se nepřiblíží hvězda. Díky teleskopu XMM-Newton se podařilo poprvé zachytit opakované erupce, navíc u jinak neaktivních galaxií. Oba zdroje budou nadále sledovány, aby se případně zjistila další zjasnění a potvrdily vyvozené závěry. Současně začal hon na nalezení dalších podobných signálů.

Doporučené a použité zdroje

• XMM-Newton ESA: https://www.cosmos.esa.int/web/xmm-newton

Zdroje obrázků

• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2008/06/xmm-newton/10148619-2-eng-GB/XMM-Newton_pillars.jpg
• http://xmm.esac.esa.int/external/xmm_science/gallery/images/xmm_preparation_sm.jpg
• https://content.api.news/v3/images/bin/64727ee3e895dd79c393adaae8359272
• https://www.sciencenews.org/wp-content/uploads/2021/01/011421_mt_quasar_feat-1030×580.jpg
• https://www.dlr.de/dlr/Portaldata/1/Resources/portal_bilder/2017/2017_1/ErositaSpiegel_sn.jpg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2023/01/a_black_hole_eating_a_star_again_and_again/24674095-1-eng-GB/A_black_hole_eating_a_star_again_and_again_pillars.png
• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/MNXNEFCrZDMegmmhD5TD9j-970-80.jpg.webp
• https://www.eurekalert.org/multimedia/971093