Počátkem letošního roku proběhla světem zajímavá zpráva o objevu zvláštního páru černých děr v datech americko-australské prohlídky oblohy. Pravidelní čtenáři Osla se o události mohli dočíst v tomto článku. Léto je skoro pryč a my jsme se na toto téma dočkali některých překvapivých informací.

Výsledky numerických simulací splynutí černých děr a následného generování gravitačních vln na základě výzkumů německého Institutu Alberta Einsteina. Kredit: NASA Blueshift/Werner Benger

Ty má na svědomí tým odborníků z University of Columbia, který podrobil naměřená data důkladné analýze a zároveň hrábl pořádně hluboko do archivů kosmických teleskopů. Původní objev má totiž na svědomí pozorování pozemských observatoří. Nové výsledky jsou více než zajímavé, pojďme se na ně tedy krátce podívat.

Na první pohled není vzdálený kvasar PG 1302-102 oproti svým obřím galaktickým kumpánům ničím výjimečný. Vykazuje překotnou aktivitu ve všech oborech spektra a dává tím tušit, že v jeho středu probíhá pořádná párty, ale na to jsme u takových objektů zvyklí. Ovšem u tohoto kvasaru si astronomové při dlouhodobém pozorování všimli určité periodicity signálu.

Každých přibližně pět let se centrální oblast masivní galaxie zjasňuje o 14 %, což naznačuje přítomnost hmotných černých děr obíhajících kolem společného těžiště. To už je docela neobvyklé. Ze čtvrt milionu kvasarů nalezených v rámci prohlídky CRTS našli pomocí speciálně navrženého softwaru odborníci pouhých dvacet adeptů na binární systém tohoto typu. V případě centra PG 1302-102 jde navíc o nejbližší dvojici černých děr, jakou jsme zatím objevili.

Popis: světelné křivky kvasaru PG 1302-102 ve viditelném a UV oboru. Kredit: Graham et al., Nature, 2015

Většinu černých děr v binárních soustavách totiž dělí vzdálenosti několika desítek či dokonce stovek světelných let. U nejnadějnějšího kandidáta dělala tato vzdálenost 20 světelných let. V případě PG 1302-102 však obě černé díry sdílí oběžnici ne větší, než jak jsou vzdálené oblasti Oortova oblaku naší sluneční soustavy (přibližně světelný týden). Představa, že by dvojice tak rychle rotujících objektů byla součástí našeho planetárního systému, je opravdu bizarní. Vzpomeňme si například na našeho „vyděděnce“ – trpasličí planetu Pluto. Té trvá jeden oběh kolem Slunce plných 248 let. A k němu to máme v porovnání k rozlehlosti Oortova oblaku doslova přes ulici.

Jenže měřit tak titěrné hodnoty na vzdálenostech takřka třetiny pozorovatelného vesmíru je jako určovat přesnou velikost zrn měsíčního regolitu z vaší zahrady. PG 1302-102 se totiž nachází 3,5 miliardy světelných let od nás. Proto se astronomové rozhodli využít přednosti teoretických modelů a celou situaci počítačově nasimulovat.

Pár černých děr v představách výtvarníka. Kredit: P. Marenfeld/NOAO/AURA/NSF

Z výsledků vyplynulo, že hlavním zdrojem proměnlivé jasnosti je menší z obou černých děr, která se pohybuje rychleji a její silné gravitační pole tak zachycuje více materiálu. Ten je intenzivně zahříván a září jako kosmický maják ve vícero oborech světla.


Při vzájemné vzdálenosti obou černých děr 2000 au a periodě oběhu 1884 dní se méně hmotná černá díra pohybuje až 7 % rychlosti světla, takže máme možnost sledovat projevy relativistických efektů. Pokud by počítačový model odpovídal skutečnosti, měli bychom pozorovat pravidelný nárůst jasnosti ještě zřetelněji v ultrafialové oblasti. A to přibližně dva a půlkrát díky relativistickému Dopplerovu efektu v době, kdy se menší z černých děr přibližuje vůči zornému poli našich teleskopů (modrý posuv).
Pak už stačilo jen hrábnout do obsáhlých archivů některé z dlouhodoběji fungujících kosmických observatoří. Vzhledem k vlnovým délkám se tým rozhodl pro data Hubbleova teleskopu a observatoře GALEX (Galaxy Evolution Explorer – kosmický teleskop v UV pásmu, který obíhal po nízké oběžné dráze mezi lety 2003-2012). Oba několikrát pozorovaly tuto nepatrnou oblast souhvězdí Panny, kam se nám vzdálený kvasar polohově promítá.

Simulace oběhu páru černých děr v centru kvasaru PG 1302-102. Kredit: Columbia University

Nu a bingo! Data obou teleskopů potvrdila predikce teoretického modelu. V jádru kvasaru PG 1302-102 se nachází pár supermasivních černých děr s parametry, které odpovídají předchozím měřením a modelům. A jako potěšující bonus jsme dostali upřesnění, kdy se celý binární systém spojí v jednu ještě monstróznější černou díru.
Původní odhady vědců předpovídaly finale grande v rozmezí deseti tisíc až pár milionů let. To se nyní zmenšilo na 20 000 – 350 000 let s nejpravděpodobnější hodnotou sto tisíc let. Z našeho hlediska jde o hrozivě dlouhou dobu, z hlediska kosmického však jde o pouhé mrknutí oka.
Až se obě černé díry spojí v jednu, půjde o divadlo, které bude viditelné napříč celým pozorovatelným vesmírem. Energie uvolněná v posledních několika minutách tohoto monstrózního splynutí bude adekvátní explozi sta milionů supernov v malém objemu prostoru.

Graf V spektra kvasaru PG 1302-102 z rozmezí let 1992–2011 pomocí Hubbleova teleskopu a observatoře GALEX. Kredit: Nature/Daniel J. D'Orazio,Zolt án Haiman & David Schiminovich

Podobné výzkumy jsou důležité nejen pro studium gravitačních vln, ale i pro naše pochopení vývoje galaxií. Pořád se nikomu nepodařilo beze zbytku odpovědět na jednu z nejdůležitějších otázek: Jak vlastně probíhá evoluce hvězdných ostrovů a jaká je vazba mezi galaxiemi a supermasivními černými dírami v jejich centrech? 
Rostou společně? Co bylo dříve – vejce nebo slepice? Vyřešení těchto problémů bude zcela určitě korunováno nobelovkou. Proto se astronomové teď hodlají ještě víc zakousnout do průzkumu a studia binárních černých děr v jádrech galaxií.
Matthew Graham, odborník na počítačové analýzy astronomických dat, vytvořil se svým týmem výše zmíněný algoritmus, který pomáhá odhalit periodické signály ve výsledcích spektroskopických měření aktivních galaktických jader. Pomocí něj podrobil analýze data programu CRTS (Catalina Real-Time Transient Survey). V průběhu letošního léta ohlásil tým přes devadesát nových zajímavých kandidátů. Tým astronomů z University of Columbia brzy hodlá uveřejnit autonomní seznam na základě dat z Palomarské observatoře.

VIDEO:  Simulace binárního systému černých děr, kde vzájemná oběžná dráha vede až k jejich splynutí.

Literatura:
http://datascience.columbia.edu/new-support-converging-black-holes
http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2015-299&rn=news.xml&rst=4719
http://phys.org/news/2015-09-converging-black-holes-virgo-constellation.html
http://crts.caltech.edu/