Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 22 – vyšlo 31. května, ročník 22 (2024)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Černoděroví rekordmani

Petr Kulhánek

Lidé milují rekordy. Zajímá nás, kdo má nejdražší auto, kdo krade nejvíce či kdo je nejstarší na světě. I svět černých děrČerná 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. má své rekordmany a v dnešním bulletinu se zaměříme na největší černoděrné cvalíky. Zatím jsme poznali černé díry tří typů. K prvním patří hvězdné černé díry, které vznikají při závěrečném kolapsu hmotných hvězd. Jde o jedno ze tří známých závěrečných stádií hvězdného vývoje. Zástupci této kategorie mohou mít hmotnosti v jednotkách až maximálně desítkách Sluncí. Druhou skupinou jsou černé díry středních hmotností, které vznikají postupným slučováním hvězdných černých děr. Jejich hmotnosti jsou v desítkách až stovkách Sluncí. Poslední skupinou jsou galaktické černé díry, které sídlí v centrech galaxií a jejichž hmotnosti jsou od milionů po miliardy Sluncí. Pojďme se nyní podívat na nejhmotnější známé zástupce těchhto tří kategorií.

Umělecká vize černé díry. Kolem krouží plynoprachový torus přecházející v rozžhavený akreční disk. Ve směru rotační osy vzniká výtrysk částic ovlivňovaný magnetickým polem. Zdroj: Dana Berry/SkyWorks Digital/NASA.

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.

Obecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách.

Galaxie – kompaktní seskupení hvězd, hvězdných asociací, otevřených a kulových hvězdokup, mezihvězdné látky a temné hmoty. Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, aktivní, rádiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je udávána v miliardách až stovkách miliard hmotností Slunce. Galaxie jsou obvykle součástmi vyšších celků, jako jsou kupy, nadkupy, vlákna a stěny. V centrech většiny galaxií se nacházejí obří černé díry.

Hvězdné černé díry

Na konci života, když hvězda spotřebuje využitelné palivo pro termojadernou fúziTermojaderná fúze – jaderná syntéza, při které se slučují lehčí prvky na prvky těžší a uvolňuje se energie. Jaderná fúze může probíhat tehdy, když jádra překonají odpudivé coulombovské síly a přiblíží se na dosah jaderných sil. K tomu je zapotřebí velkých tlaků a teplot. Přirozeným způsobem probíhá fúze v nitru hvězd. K praktickému využití na Zemi přicházejí v úvahu dvě reakce: slučování deuteria na helium nebo tritium a slučování tritia a deuteria na helium., se může stát bílým trpaslíkem, neutronovou hvězdou a v případě větší hmotnosti neodvratně zkolabuje do černé díry. Takovéto objekty mívají nejčastěji hmotnost do deseti Sluncí a v současnosti známe pouze dva objekty tohoto typu s vyšší hmotností. Jedním z nich je hned první ztotožněná hvězdná černá díra, rentgenový zdroj Cyg X-1 ze souhvězdí Labutě. Rentgenové záření bylo z této oblasti detekováno již v roce 1964, a to průzkumnou raketou s rentgenovými přístroji na palubě, která byla vypuštěna z raketové střelnice White Sands. Anglický astronom Paul Murdin usoudil v roce 1971 z analýzy rentgenového signálu, že jde o černou díru o hmotnosti 8 Sluncí, která je součástí dvojhvězdy. Druhou složkou je modrý obr s katalogovým označením HDE 226868, z něhož na černou díru přetéká látka. S postupným zpřesňováním parametrů systému se zvyšoval odhad hmotnosti černé díry až na dnešních 21 Sluncí. Černá díra je od nás vzdálená 7 000 světelných roků a její okolí svítí od rentgenového až po rádiový obor. Na rádiových frekvencích jsou patrné rádiové laloky nacházející se na koncích výtrysků vyvrhovaných z okolí černé díry.

Druhý objekt, dosud nejhmotnější známá černá díra vzniklá kolapsem hvězdy, se nachází v souhvězdí Orla a má katalogové označení Gaia BH3. Hmotnost se odhaduje na 33 Sluncí. Opět jde o dvojhvězdu, druhou složkou je žlutý obr s nízkým obsahem kovůMetalicita – obsah kovů. V astronomii se tak označují veškeré prvky těžší než vodík a helium.. Černá díra byla objevena astrometrickou družicí GaiaGaia – sonda Evropské kosmické agentury mající za úkol zpřesnit polohu zhruba miliardy hvězd naší Galaxie. Byla vypuštěna nosnou raketou Sojuz dne 19. prosince 2013 z kosmodromu v Kourou ve Francouzské Guyaně. Svá měření provádí v libračním (Lagrangeově) bodě L2 soustavy Slunce-Země. Její vývoj stál 650 milionů eur. ve vzdálenosti 2 000 světelných roků. Tato velmi atypická díra patří do hvězdného proudu ED-2 v galaktickém haló. Všechny hvězdy tohoto proudu jsou velmi staré, mají nízký obsah kovů a parametry oběhu kolem středu Galaxie jsou si podobné. Buď jde o rozpadlou kulovou hvězdokupu, nebo o zachycenou trpasličí galaxii.

Umělecká vize tří nejhmotnějších hvězdných černých děr. Zdroj: ESO/M. Kornmesser.

Černé díry středních hmotností

Další skupinou jsou černé díry středních hmotností (několika desítek až stovek Sluncí). Na jejich objev se čekalo až do roku 2015, kdy byla taková černá díra detekována při prvním záchytu GaiaGaia – sonda Evropské kosmické agentury mající za úkol zpřesnit polohu zhruba miliardy hvězd naší Galaxie. Byla vypuštěna nosnou raketou Sojuz dne 19. prosince 2013 z kosmodromu v Kourou ve Francouzské Guyaně. Svá měření provádí v libračním (Lagrangeově) bodě L2 soustavy Slunce-Země. Její vývoj stál 650 milionů eur. gravitačních vln. Šlo o dvě navzájem se obíhající černé díry o hmotnostech 29 a 36 Sluncí, které svým pohybem generovaly gravitační vlny. Tím ztrácely energii a přibližovaly se k sobě. Nakonec splynuly v černou díru o výsledné hmotnosti 62 Sluncí. Závěrečný gravitační záblesk ze systému odnesl energii ekvivalentní hmotnosti tří Sluncí. První pozorování gravitačních vln tak s sebou přineslo nejen objev černých děr středních hmotností, ale dokonce i přímé sledování mechanizmu jejich vzniku – postupné splývání menších černých děr. Dodnes (2024) jsme dekovali přes sto gravitačních záblesků způsobených sloučením dvou černých děr. Zatím největší takto vzniklá černá díra byla detekována dne 21. května 2019. Po sloučení předchůdců získala hmotnost 142 Sluncí. Tento gravitační záblesk je označován zkratkou GW 210519.

Postupné slučování černých děr vede na díry středních hmotností.
Zdroj: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC).

Galaktické černé díry

Další skupinou jsou obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Jejich hmotnosti jsou v rozsahu milionů až miliard Sluncí. Odborníci na galaktické černé díry si nejsou dodnes jisti jejich původem. Pravděpodobně vznikaly postupným slučováním menších černých děr, není ale ani vyloučeno, že zde byly dříve než mateřská galaxie a centrální černé díry tvořily zárodečná jádra pro jejich vznik. Centrální černá díra naší Galaxie má hmotnost 4 miliony Sluncí. Zatím největší černá díra, jejíž hmotnost byla určena nezávisle více způsoby, se nachází ve středu obří eliptické galaxie M87 v souhvězdí Panny. Černá díra má hmotnost 7,5 miliardy Sluncí a jde o první černou díru, u níž bylo vyfotografováno její těsné okolí. Mateřská galaxie je součástí Kupy galaxií v Panně. Existují ale tři desítky dalších objektů, u nichž je odhadovaná hmotnost centrální černé díry mnohem vyšší. Hmotnost byla většinou jen odhadnuta, a to na základě jediné metody. Příkladem může být kvazar TON 618 ze souhvězdí Honicích psů nacházející se ve vzdálenosti 18 miliard světelných roků (se započtením expanze). Hmotnost centrální černé díry se odhaduje na 40 miliard Sluncí. Naprostým rekordmanem je černá díra ve středu obří eliptické galaxie Phoenix A náležící do Kupy galaxií Fénix. Její hmotnost se odhaduje na 100 miliard Sluncí a vzdálenost je 5 miliard světelných roků. Uvedené nejhmotnější černé díry, ať už hvězdné, středních hmotností či galaktické jsou dány současným stavem naší pozorovací techniky a samozřejmě se mohou v blízké budoucnosti změnit.

Největší galaktické černé díry. Zdroj: Wikipedia/Faren29.

Od Slunce k největším galaktickým černým děrám. Zdroj: NASA.

Odkazy