Jak změřit rotační rychlost obrovské černé díry?

Chce to soustředěné úsilí řady teleskopů a příznivé uspořádání dvojice nestejně velkých supermasivních černých děr. U kvasaru OJ287 se to povedlo.

Inspirující kvasar OJ287. Kredit: lizard-mantidae / deviantart

Už víme, že ve vesmíru kolem nás v nitru galaxií existují supermasivní černé díry ohromujících velikostí. V jejich případě jsme už tak tak na hranici představivosti, a naše znalosti o nich jsou stále velmi omezené. Vědci se ale nevzdávají a snaží se supermasivním monstrům vyrvat jejich tajemství. Nedávno se to povedlo početnému týmu astronomů a astrofyziků z celé řady zemí, kteří díky soustředěnému úsilí více než dvou tuctů optických teleskopů a americké kosmické rentgenové observatoře SWIFT (Swift Gamma-Ray Burst Mission) dokázali velmi přesně změřit rychlost rotace jedné z největších známých supermasivních černých děr ve vesmíru.

Mauri Valtonen. Kredit: UTU.

Tahle obluda o hmotnosti asi 18 miliard Sluncí pohání kvasar OJ287, notně aktivní galaktické jádro typu BL Lacertae z galaxie, která je od nás vzdálená nějakých 3,5 miliard světelných let. Velká přednost kvasaru OJ287 pro badatele spočívala v tom, že leží velmi blízko trasy zdánlivého pohybu Slunce po obloze, tak jak ho vnímáme ze Země. Shodou okolností se právě v této části oblohy intenzivně hledají komety a asteroidy. Proto tady jsou k dispozici fotometrická měření oblohy, které pokrývají více než 100 let historie. Mauri Valtonen z finské Univerzity v Turku a jeho spolupracovníci tyto snímky oblohy detailně analyzovali a zjistili, že kvasar OJ287 vydává kvaziperiodické výtrysky optického záření. Opakují se přibližně jednou za 12 let, a lze je vystopovat až do roku 1891.

Model systému kvasaru OJ287. Kredit: Gary Poyner, UK.

Valtonen a spol. si také všimli, že se ve výtryscích záření kvasaru OJ287 neobjevuje jeden, ale hned dva vrcholy intenzity záření. Posléze vytvořili matematický model, podle něhož kvasar OJ287 zahrnuje dvě černé díry nestejné velikosti. Větší z černých děr obtáčí akreční disk a kolem obíhá menší černá díra, jejíž hmotnost badatelé odhadují na 100 milionů Sluncí. Není to tedy zase takový drobeček. Kvasar jako takový září, protože větší supermasivní černá díra pomalu požírá hmotu, která plyne do chřtánu z akrečního disku. Když ale menší z černých děr prochází skrz akreční disk, tam svým průchodem rozžhaví hmotu v části disku natolik, že akreční disk nezáří z jednoho, ale hned ze dvou míst najednou. To způsobuje výkyvy v záření kvasaru. Menší černá díra oběhne tu větší za 12 let. Protože se zřejmě pohybuje po eliptické dráze, která prochází akrečním diskem na dvou místech, tak pozorujeme v záření kvasaru OJ287 dva píky aktivity.

Uvedený model kvasaru OJ287 rovněž předpokládá, že menší ze dvojice supermasivních černých děr rotuje. Precesní rychlost této menší černé díry závisí především na hmotnostech obou černých děr a na rychlosti rotace větší černé díry. Valtonenův tým využil osm kvalitně proměřených výtrysků záření kvasaru OJ287 a s jejich pomocí velmi přesně změřili precesní rychlost menší černé díry. Badatelé nakonec odvodili hmotnost obou černých děr a rychlost rotace té větší z nich.
Valtonen a spol. také předpověděli, že k dalšímu výtrysku záření kvasaru OJ287 dojde někdy kolem 25. listopadu 2015. Byla to ambiciózní předpověď, zvlášť když na tento den připadlo i sté výročí Einsteinovy obecné relativity. A předpověď se pěkně vyplnila. Výtrysk záření kvasaru započal 18. listopadu 2015 a trval až do 4 prosince. Tentokrát potěšil spoustu natěšených astrofyziků. Načasování tohoto zatím posledního výtrysku kvasaru umožnilo Valtonenovi a jeho kolegům zjistit, že větší supermasivní černá díra o hmotnosti 18 miliard Sluncí rotuje zhruba třetinovou rychlostí, než jakou ji maximálně dovoluje obecná relativita. Výročí obecné relativity tedy bylo oslaveno velmi důstojně a Einstein měl opět pravdu. Jak se před časem pro OSLA vyjádřil Gabriel Török z Ústavu fyziky Filozoficko-přírodovědecké fakulty Slezské univerzity v Opavě, proměření rotace supermasivních černých děr přináší o těchto vesmírných monstrech cenné informace.

Badatelům se rovněž povedlo poprvé nepřímo potvrdit existenci těsné dvojice supermasivních černých děr, které vyzařují gravitační vlny. Doložili totiž, že systém kvasaru OJ287ztrácí energii ve formě gravitačních vln, podle předpovědi obecné relativity. To je velmi povzbuzující zpráva pro projekty analyzující data z pozorování souborů pulzarů (Pulsar Timing Array). Právě v nich bychom prý mohli brzy objevit gravitační vlny vyzařované těsnými dvojicemi supermasivních černých děr.

Video: 6 of the Largest Objects in the Known Universe

Literatura
Tata Institute of Fundamental Research 10. 3. 2016, Astrophysical Journal 819: L37, Wikipedia (Precession, Pulsar timing array)

Autor: Stanislav Mihulka

Datum: 16.03.2016

Tisk článku

Diskuze:

Nevim co resite

Karel Dohnal,2016-03-18 08:19:32

Nechapu co je na tom tak sloziteho? Staci kdyz zavolate mestaky - oni ji urcite zmeri...