Nedávno jsme psali o velmi hmotných černých dírách, které – zdánlivě paradoxně – ve výkonných teleskopech detekujeme jako zářivé objekty zejména v rentgenové nebo radiové oblasti spektra. Nadmíru zhmotněnou gravitační černo-černou past totiž zviditelňuje vířící horké plazma uvězněné v časoprostorové jámě. Jenže zdaleka ne všechny hvězdy s hmotností nad 20násobku Slunce mají po kolapsu v černou díru možnost k sobě strhávat tolik okolní hmoty, aby je prozrazovalo elektromagnetické záření. Supernova totiž rozfoukne původní okolní materiál a vnější hvězdnou obálku do gigantické rozpínající se bubliny a vymete prostor kolem smršťujícího se jádra.

Intenzivní gravitační pole černé díry působí jako silná čočka, která zkresluje a zjasňuje obraz hvězdy v pozadí. Gravitační čočka rozmazává obraz hvězdy do dvou obrazů ve tvaru banánu s celkovou plochou několikanásobně větší, než má původní hvězdný disk. Ačkoli obrázek znázorňuje úhlovou vzdálenost, je stokrát menší, než jakou je schopen rozlišit Hubbleův teleskop nebo pozemní dalekohledy, které vícenásobné obrazy „nevidí“. Jak černá díra putuje v popředí, pozorovatelé zaregistrují jenom zjasnění vzdálenější hvězdy.Kredit: NASA/ESA

Astronomové i na základě předpokladu, že asi třetina hvězd v naší domovské Galaxii nemá své binární, gravitačně vázané dvojče, předpokládají v Mléčné dráze na stovky milionů „single“ hvězdných černých děr. Jako osamělí poutníci cestují prostorem a je extrémně složité je detekovat. Prozrazuje je totiž jenom silné gravitační působení, tedy výrazně deformují okolní časoprostor. Paprsky světla ze vzdálenějších zdrojů při přechodu vnějšími oblastmi této časoprostorové prohlubně se vychýlí podobně, jako u optické čočky, která obraz objektu zvětší. Odchylka od přímého směru o velikosti řádově jednotek obloukových sekund není na obrovskou vesmírnou vzdálenost měřitelná, stejně jako deformace obrazu světelného zdroje za rotující gravitační čočkou. Nicméně pozorovatel po jistou dobu registruje zjasnění tohoto obrazu, jak v popředí před zdrojem světla proplouvá objekt s extrémní gravitací. Jev se nazývá gravitační mikročočka.

Metoda detekce není jednoduché „kouknu a vidím“. Ve skutečnosti až dosud nebyla žádná izolovaná hvězdná černá díra jednoznačně potvrzena. Tato výzva spojila velkou skupinu astronomů z různých koutů světa. Po rozsáhlých analýzách záznamů z několika let pozorování zejména z Hubbleova teleskopu (HST) nejprve vybrali pro další pozorování osm nadějných kandidátů bez měřitelného vlastního vyzařování, ale natolik hmotných, že díky relativistickým jevům rozjasnily hvězdu v pozadí po dobu nejméně 200 dnů. Vědci koncem ledna zveřejnili ve formě preprintového, zatím nerecenzovaného článku na stránkách arXiv údaje o jednom z těchto objektů, o němž jsou s velikou jistotou přesvědčeni, že je osamocenou černou dírou. Mnohočlenný mezinárodní tým se opírá o velice přesná interferometrická měření s vysokým prostorovým rozlišením. Optické jevy způsobené jevem mikročočky a Einsteinovy rovnice vedly k odhadu hmotnost temného tělesa na více než sedminásobek hmotnosti Slunce. I to dokazuje, že jde o černou díru a ne například o potulnou neutronovou hvězdu.

Simulovaný obraz černé díry putující Mléčnou dráhou Kredit: SXS project American Astronomical Society.

Další důležité informace poskytly pozemní observatoře na různých místech světa, které na sledované zjasnění zamířily své teleskopy. Přesnými přístroji měřitelné titěrné rozdíly v úhlech, pod kterým světlo z mikročočky dopadalo ke vzdáleným detektorům, umožnily metodou paralaxy určit vzdálenost černé díry na 1,58 (± 0,18) kiloparseků, což je nepředstavitelných přes 5 153 světelných let. Za jediný rok světlo překoná téměř 10 bilionů kilometrů a astronomové na vzdálenost pět tisíc krát vyšší dokázali potvrdit existenci a určit charakter tělesa sice velmi hmotného, ale „na pohled“ temného a jen asi 42 km velkého. Ze vzdálenosti, hmotnosti sledovaného tělesa a doby zjasnění obrazu světelného zdroje v pozadí astronomové odhadli rychlost, jakou se černá díra pohybuje našim zorným polem, na 45 kilometrů za sekundu. Je to o něco více, než putují prostorem zářící hvězdy v přibližně stejné vzdálenosti v jejím okolí (10 až 30 kilometrů za sekundu). Vědci se přiklánějí k vysvětlení, že jde pravděpodobně o následek „kopance“, který černá díra utržila hned u svého zrodu v centru supernovy. Protože nelze využít analýzu červeného/modrého posuvu jejího vlastního záření, není známá radiální rychlost – složka pohybu podél spojnice k Zemi. Nelze tedy zcela vyloučit, že skutečná rychlost v prostoru je vůči okolí jiná. Zůstává mnoho nezodpovězených otázek, nicméně jde o první nezářící osamocenou hvězdní černou díru potvrzenou s tak velikou pravděpodobností a tým má v záloze ještě tři další nadějné kandidáty.

Literatura: arXiv.org, Nature News

Gravitační čočka rotující černé díry v astrofyzice a ve filmu Interstellar. Video-abstrakt článku: "Gravitational lensing by spinning black holes in astrophysics, and in the movie Interstellar", autoři: Oliver James, Eugénie von Tunzelmann, Paul Franklin a Kip S. Thorne