Zvětšit obrázek

Ilustrace srovnává akreční disk kolem nerotující (vlevo) a rotující černé díry (vpravo). Rychlejší rotace odpovídá menší vnitřní poloměr akrečního disku.
Kredit – NASA/CXC/M.Weiss

Černé díry patří mezi nejvíce fascinující ale také nejvíce záhadné objekty ve vesmíru. Pokud má hvězda hmotnost rovnou alespoň hmotnosti 10 našich Sluncí, po vyhoření nukleárního paliva vybuchne jako supernova. Vnější vrstvy hvězdy jsou rozmetány do okolního vesmíru, zatímco jádro hvězdy se zhroutí. Pokud je dostatečně hmotné, nic nemůže kolaps zastavit.

Zrodí se černá díra. Rotace staré hvězdy je přitom přenesena přímo do rotace černé díry. Sférická hranice kolem černé díry, ze které není úniku, se nazývá horizontem událostí. Jeho poloměr – tedy vzdálenost od středu černé díry – činí pouhých 10 až 50 km. Veškerá hmota i záření, která horizont událostí překročí, se už nikdy nemůže vrátit zpět.

Černých děr se v naší Galaxii nacházejí milióny. Přestože nejsou pozorovatelné přímo, astronomové jsou schopni o nich získat řadu informací. Pomáhají jim zejména takové černé díry, které se nacházejí v systému s obyčejnou hvězdou.

„V astronomii je možno černou díru kompletně popsat jen dvěma čísly, které charakterizují její hmotnost a jak rychle se otáčí,“ říká Jeffrey McClintock (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, USA). Až dosud se podařilo změřit hmotnosti řady černých děr, ovšem s údaji o jejich rotaci už to bylo horší. „Skutečně, až do letošního roku neexistovaly spolehlivé odhady rychlosti rotace pro žádná černou díru,“ doplňuje jej Ramesh Narayan (rovněž CfA). Oba astronomové společně s dalšími kolegy nyní využili schopností družice NASA Rossi X-ray timing explorer k tomu, aby tuto skutečnost změnili.

Zvětšit obrázek

Tato ilustrace ukazuje akreční disk rotující černé díry. Světlejší barvy odpovídají vyšší jasnosti v rentgenovém záření.
Kredit – David A. Aguilar (CfA)

Aby bylo zřejmé, co je vlastně rychlostí rotace černé díry myšleno, dejme ještě jednou slovo  Rameshi Narayanovi: „Rychlost rotace černé díry kterou jsme změřili, je tempo s jakým rotuje – nebo je strháván – prostoročas přímo na horizontu událostí“.

Astronomové studovali velmi známý systém GRS 1915+105, který je tvořen právě černou dírou a „normální“ hvězdou. Tato soustava dvou těles leží ve vzdálenosti 35 tisíc světelných roků od Slunce ve směru souhvězdí Orla. Černá díra má hmotnost zhruba 14 hmotností Slunce. Objekt je znám svými zajímavými vlastnostmi jako jsou výtrysky hmoty téměř rychlostí světla či rychlé změny v rentgenovém záření.

Hmota obyčejné hvězdy je přitahována gravitací černé díry a postupně spiráluje na její „povrch“. Vytváří kolem ní tzv. akreční disk, což je jakýsi rezervoár rotující kolem samotné černé díry. A z vnitřního okraje tohoto disku pak hmota padá už přímo do černé díry. Plyn, který tvoří akreční disk, se při pohybu zahřívá na teploty miliónů stupňů, což vede k tomu, že září na rentgenových vlnových délkách. A je to právě studium rentgenového spektra akrečního disku, které astronomům pomohlo odhalit rychlost rotace černé díry.

Vědci se zaměřili na vnitřní okraj akrečního disku, na oblast zvanou nejvnitřnější stabilní kruhová dráha. Je to taková dráha těsně nad horizontem, po které ještě může hmota obíhat kolem černé díry aniž by do ní okamžitě spadla. Jakmile je ale čímkoliv „pošťouchnuta“, v zlomku sekundy se zřítí za horizont událostí. Vzdálenost této poslední stabilní dráhy závisí přímo na rychlosti rotace černé díry. Platí – rychlejší rotace = menší poloměr poslední dráhy.

Animace ukazuje jak vyšší rychlost rotace černé díry umožňuje hmotě „bezpečné“ přiblížení do menší vzdálenosti.
Kredit – NASA/GSFC

McClintock a Narayan vůbec poprvé změřili právě tuto vzdálenost. Využili přitom jednoduché skutečnosti. Čím rychleji černá díra rotuje, tím je vzdálenost poslední stabilní dráhy od jejího centra menší a zároveň hmota, která po této dráze obíhá díky vyšší rychlosti vyzařuje stále jasnější rentgenové záření. Vše je v podstatě jednoduše zakódováno právě v rentgenovém světle. Z optických a rádiových pozorování získali další informace o černé díře jako je její hmotnost, úhel roviny akrečního disku vzhledem k nám a její vzdálenost. Kombinací všech těchto parametrů následně zjistili požadovanou informaci o rychlosti rotace.

Zvětšit obrázek

Družice Rossi X-ray timing explorer studuje z oběžné dráhy rentgenové záření objektů ve vesmíru už od konce roku 1995.
Kredit – NASA

Z hmotnosti černé díry vyplývá za použití Einsteinových rovnic poloměr událostí 42 km v případě, že by černá díra nerotovala vůbec. Naopak, maximální možné rychlosti rotace by odpovídal poloměr horizontu 21 km. Ve skutečnosti byla naměřena hodnota 25 km. To znamená, že černá díra rotuje rychlostí 950 otáček za sekundu. Plyn tak překoná vzdálenost 157 km (obvod poslední stabilní dráhy) rychlostí 149 tisíc km/s, tedy skoro přesně polovinou rychlosti světla.

Podle teorie je maximální možná rychlost rotace 1 150 otáček za sekundu.

Získané výsledky mohou mít zásadní význam i pro studium záblesků záření gama. Model kolapsaru, který je založen právě na zhroucení hmotné hvězdy, totiž velmi rychlou rotaci černé díry přímo vyžaduje. Jeho autor, Stan Woosley (University of California, Santa Cruz, USA) k tomu říká: „toto je extrémně důležité.“ A zároveň přiznává: „neměl jsem představu o tom, že takové měření může být provedeno.“

Očekávání astronomů nakonec mohou shrnout slova Jeffreyho McClintocka: „Metoda, kterou jsme použili na GRC1915 může být aplikována na řadu dalších černých děr v binárních systémech. Nemůžeme se dočkat toho, co nalezneme!“

Zdroje:
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
NASA