První snímek supermasivní černé díry Sgr A* v centru naší Galaxie. Je výsledkem propojení osmi stávajících radioteleskopů na celé planetě do jednoho virtuálního dalekohledu "velikosti Země"- dalekohledu Event Horizon Telescope (EHT). Kredit: EHT Collaboration, CC 4.0

Předevčírem, 5. 7., zveřejnila Univerzita v Kolíně nad Rýnem mediální zprávu, kterou převzaly mnohé zahraniční stránky s novinkami z vědy. Naše čtenáře upoutá již první větou: „Vědci z Kolínské univerzity a Masarykovy univerzity v Brně objevili nejrychlejší známou hvězdu, která se pohybuje kolem černé díry v nejkratším čase“. Odborný článek zveřejnil časopis The Astrophysical Journal. Trojici německých autorů z již zmíněné Kolínské univerzity a v Bonnu sídlícího Ústavu Maxe Plancka pro radioastronomii doplňuje čtvrtý člen týmu, Michal Zajaček z Katedry teoretické fyziky a astrofyziky Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity.

Simulace některých oběžných drah hvězd S obíhajících supermasivní černou díru Sgr A* v centru Mléčné dráhy Kredit: ESO / L. Calçada, CC BY 4.0 Wikimedia Commons

Rychle se zdokonalující analytické metody umožnily astronomům v záznamech z téměř 20letého pozorování centrální oblasti naší Galaxie odhalit hvězdu, která kolem galaktické supermasivní černé díry oběhne jednou za 4 roky. Jak krátká doba to je, si lépe uvědomíme, když ji dáme do souvislosti s dalšími údaji. Černá díra Sagittarius A* (zkratka Sgr A*) sídlí z našeho pohledu směrem souhvězdí Střelce (lat. Sagittarius) v centru Mléčné dráhy asi 27 tisíc světelných let daleko. Hmotností se vyrovná 4 milionům 154 tisícům našich Sluncí zkomprimovaných do objemu o průměru necelých 25 milionů kilometrů (průměr horizotntu událostí). Pro porovnání  střední průměr Slunce je 1,392 mil. km.

Pozorování hvězdy S4716 v roce 2020 pomocí infračerveného spektrografu OSIRIS na havajském dalekohledu Keck II Kredit: Florian Peißker et al 2022 ApJ 933 49

Hvězda, která podle nové studie kolem černé díry Sgr A* oběhne za nejkratší doposud pozorovanou dobu – 4 roky, nese označení S4716. Její hmotnost je odhadována na přibližně 4násobek hmotnosti Slunce. Na své eliptické oběžné dráze se k černé díře Sgr A* přiblíží na vzdálenost 100násobku průměrné vzdálenosti Země – Slunce (100 AU), tedy necelých 15 miliard km. Tímto k černé díře nejbližším bodem – pericentrem – profrčí rychlostí až 8000 km za sekundu.

RNDr. Michal Zajaček, PhD., Ústav teoretické fyziky a astrofyziky Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně. Zabývá se výzkumem galaktického centra a aktivních galaktických jader, analýzou dat v rádiové a infračervené oblasti elektromagnetického spektra, vývojem modelů a simulací pro interpretaci pozorovaných dat. Kredit: Česká astronomická společnost.

V souladu s Keplerovými zákony pak tato rychlost  klesá, jak se hvězda vzdaluje od obíhaného tělesa. Apocentrem, tedy nejvzdálenějším bodem orbity prolétá rychlostí "jenom" něco přes 1100 km/s. Tehdy je od Sgr A* vzdálena téměř 106 miliard km (706 AU). V měřítku rychlosti světla klesá oběžná rychlost hvězdy S4716 z 2,65 % (v pericentru) na 0,37 % (v apocentru) rychlosti světla.

Přes tyto, pro nás nepředstavitelné hodnoty, hvězdě S4716 nepatří jiná prvenství v lokální galaktické soutěži, jenom to v kategorii nejkratší oběžná doba. Patří totiž do relativně malé hvězdokupy mezi astronomy známé jako S-stars, což je více než 100členné seskupení vesměs rychlých hvězd obíhajících po výrazně eliptických drahách naši galaktickou centrální černou díru Sgr A*. Před dvěma lety téměř stejný autorský tým, jehož členem i tenkrát byl Michal Zajaček, zveřejnil studii oznamující objev 5 nových S-hvězd. Mezi nimi byla i hvězda S4714, která se na své oběžné dráze přiblíží k Sgr A* na necelých 13 astronomických jednotek, tedy asi 1,9 miliardy km. (Pro porovnání: je to téměř o třetinu méně, než je vzdálenost Slunce – Uran v periheliu). V pericentru S4714 uhání neuvěřitelnou rychlostí až 8 % rychlosti světla – asi 24 tisíc km za sekundu! Celou svou extrémně excentrickou dráhu (e = 0,985) oběhne za 12 let, přičemž její rychlost klesá s rostoucí vzdáleností od černé díry.

Výzkum S-hvězd v srdci Mléčné dráhy není jednoduchý ani samoúčelný. Získané parametry pomáhají odhalovat tajemství černé díry Sgr A* a procesů, které v jejím dynamickém okolí probíhají. Obraz Hvězdokupy S, který vědcům poskytují výkonné teleskopy, jakým je i evropský Velmi velký dalekohled (Very Large Telescope) na čilské hoře Cerro Paranal, je výsledkem dramatických dějů a vzájemných gravitačních interakcí mezi tělesy. Důkazem je i krátká, 4letá oběžná doba nově objevené hvězdy S4716. „Krátkoperiodická kompaktní dráha S4716 je poměrně záhadná," vysvětluje astrofyzik Michal Zajaček. "V blízkosti černé díry nemohou hvězdy vznikat tak snadno. S4716 se musela pohybovat směrem dovnitř, například prostřednictvím řady přiblížení k jiným hvězdám a objektům hvězdokupy, což způsobilo, že se její dráha výrazně zmenšila."

Video: Rozhovory o vesmíru, 6. díl - Centrum naší Galaxie

Debatují: Mgr. Samuel Kováčik, Ph.D. (Ústav teoretické fyziky a astrofyziky – Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity v Brně, Fakulta matematiky, fyziky a informatiky, Univerzita Komenského v Bratislavě), doc. Mgr. Norbert Werner, Ph.D. (Ústav teoretické fyziky a astrofyziky – Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity v Brně), RNDr. Michal Zajaček, Ph.D. (Centrum teoretické fyziky PAN, Ústav teoretické fyziky a astrofyziky – Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity v Brně (PřF MU 29.3.2021)

Literatura: Universität zu Köln; The Astrophysical Journal (článek je volně dostupný)