Kupa galaxií v Panně (Virgo Cluster) je velké seskupení minimálně 1 300 galaxií. Promítá se nám do souhvězdí Panny a analýzy rudých posuvů naznačují, že centrum tohoto galaktického společenství se nachází necelých 54 milionů světelných let daleko. Největší z galaxií nese označení M87 (podle jiné katalogizace NGC 4486) a patří do kategorie obřích eliptických galaxií, které se pozorovateli v závislosti od úhlu pohledu jeví jako svítící tajemný oblak ve tvaru kruhu, nebo elipsy. Jasnost od středu k okrajům výrazně klesá, protože kopíruje snižující se hustotu hvězd. Naší Mléčné dráze – 100 tisíc světelných let rozlehlý, relativně plochý zářící disk se spirálovitě stočenými rameny a centrální výdutí - se tedy M87 vůbec nepodobá. Ani tvarem, jenž je víceméně kruhový, ani velikostí, jelikož její průměr odhadujeme na 980 tisíc světelných let. Tedy téměř desetkrát více než má naše Galaxie.
M87 není z astronomického hlediska příliš daleko, proto je zajímavým i oblíbeným cílem výzkumů. Vědci již dlouho vědí, že jejím srdcem je gigantická supermasivní a velmi aktivní černá díra, zdroj zářící v několika oblastech spektra, zejména v pásmu rádiových vln. V gravitačním dosahu tohoto vše pohlcujícího vesmírného obra je dostatek hmoty, která v rovině rotačního rovníku vytváří rozlehlý akreční disk v němž po spirále padá za oponu horizontu událostí. Tím se stává součástí černé díry a navždy se nám vytrácí z pozorovatelného světa. Procesy, jimž ne zcela rozumíme a ve kterých hraje důležitou roli ionizace urychlovaných částic a magnetická pole v akrečním disku, chrání část hmoty před touto záhubou a proměňuje ji v obrovské proudy (jety) vysokoenergetického plazmatu, tryskající podél rotační osy černé díry. V případě galaxie M87 tyto jety registrujeme v neuvěřitelné vzdálenosti 5 000 světelných let od centra. Již to dokazuje, jak velké monstrum zde musí sídlit. Z mnohem větší vzdálenosti, v niž nelze rozlišit vnitřní strukturu galaxie, bychom ji díky aktivitě centrální černé díry mohli zaznamenat jako slabý kvazar.
Ale jaká je hmotnost černého nenasytného jádra? Odpovědi astronomů na tuto otázku se dosud velmi lišily. Jak se zdokonalovala pozorovací technika i výpočetní metody, tak postupně rostla i odhadovaná hmotnost černé díry v M87 z jedné miliardy hmotnosti našeho Slunce na šet miliard. Nejnovější a zdá se že i z nejpřesnějších a nejkompletnějších analýz vydolovaná hodnota je 6,6 miliard krát hmotnost Slunce.
S tímto výsledkem se letos, na 217. setkání Americké astronomické společnosti, prezentoval Karl Gebhardt z Texaské university v Austinu. Spolu s týmem amerických kolegů z různých pracovišť vytvořil model kombinující pozorování z dvou observatoří. Na jedné se vědci zaměřili na centrální oblast galaxie M87, na té druhé pak na tu vnější. První výsledky výpočtů astronomové prezentovali již v roce 2009 na 214. setkání astronomické společnosti. Tehdejší hodnota hmotnosti černé díry v M87 představovala 6,4 miliard násobek hmotnosti Slunce. Ale po upřesnění stoupla o dalších 200 milionů Sluncí na nynější 6,6 miliard násobek.
Jak „zvážit“ černou díru
Samozřejmě pomocí jejich gravitačních účinků na blízké, velké a dobře pozorovatelné hvězdy, které obíhají na eliptických drahách centrum galaxie M87. Gebhardt pro měření oběžných rychlostí využil infračervený spektrograf na jednom z dvojice identických 8metrových dalekohledů Gemini na havajské sopce Mauna Kea. Zjistil, že aby se pozorované hvězdy udržely na svých orbitech, pohybují se po nich překvapivě rychle, tudíž musí bojovat s obrovskou gravitací. Ve snaze co nejvíce potlačit chyby způsobené slabým rozlišením na vzdálenost více než 50 milionů světelných let a závoji galaktických prachoplynných oblaků, Gebhardův tým se nezaměřil jenom na vliv samotné černé díry na hvězdy v centrální oblasti M87, ale do svých modelů zahrnul i pohyby hvězd na vnější hranici galaxie. Zde pohyb výrazně podléhá gravitačnímu působení temného galaktického halo – jakéhosi předpokládaného galaktického obalu tvořeného převážně temnou hmotou. Podobně jako černá díra nevyzařuje na žádné vlnové délce elektromagnetického spektra a projevuje se jenom svou gravitací.
Galaktické halo bychom si mohli představit jako analogii Oortova mraku, jež zvenčí obaluje sluneční soustavy. Jen je z neviditelné matérie, které je ale více, než té viditelné. Proto zanedbání gravitačního účinku velkého množství temné hmoty nemůže poskytnout ani dostatečně přesnou odpověď na otázku o hmotnosti centrální černé díry. Na pozorování a analýzu pohybů hvězd ve vnějších oblastech M87, tedy v zóně výraznějšího působení temnohmotného galaktického halo, se zaměřil mladý člen týmu, diplomant Jeremy Murphy u dalekohledu Texaské university – teleskopu Harlana J. Smitha na Mc Donaldově observatoři v Západním Texasu.
Z nově vypočtené hmotnosti černé díry v M87, 6,6 x 109 hmotnosti Slunce, lze stanovit i její horizont událostí – tedy hranici gravitační pasti, z níž ani fotony nemají šanci uniknout. Poloměr tohoto horizontu je necelých 20 miliard kilometrů, což je asi 127 násobek poloměru oběžné dráhy Země okolo Slunce a o něco více, než čtyřnásobek oběžné dráhy Neptunu.
Podle v současnosti akceptované teorie lze obří velikost černé díry v M87 vysvětlit jako následek dávných vzájemných srážek menších černých děr. Samotná mateřská galaxie je totiž největší v „blízkém“ vesmírném sousedství a výpočty zohledňující její tvar, hmotnost a zejména prostorové rozložení viditelné hmoty vedou k představě, že obrovský vesmírný chuchvalec utvářely vzájemné kolize a splynutí desítek menších galaxií.
Astronomové mají v plánu koordinovanější způsob lovu černých děr a mapování jejich gravitačních účinků, aby mohli určit s větší přesností hmotnosti těchto tajemných, lidskou fantazii vzrušujících vesmírných objektů. Umožnil by to projekt celosvětového propojení mnoha teleskopů, které skýtají možnost pozorovat vesmír v záření se submilimetrovými vlnovými délkami, což je v astronomii spektrální oblast nacházející se mezi pásmem dalekých infračervených vln a mikrovlnami. To by umožnilo rozšířit zorné pole a „vidět“ stín procesů probíhajících těsně před hranicí horizontu událostí gigantické černé díry v M87. A také přesněji „zvážit“ podobná kosmická monstra, sídlící i v centrech vzdálenějších galaxií.
Zatím nejhmotnější známou černou dírou je jedna složka binárního systému OJ 287 vzdáleného asi 3,5 miliardy světelných let (v souhvězdí Raka). Jde pravděpodobně o následek srážky dvou galaxií. Centrální černá díra má podle odhadů hmotnost až 18 miliard Sluncí. S periodou asi 11 – 12 let jí obíhá asi 180násobně menší temná partnerka.
I když naši galaktickou centrální černou díru zařazujeme do kategorie „superhmotné“, v porovnání se všemi zmíněnými je takovým drobečkem. Odhad její hmotnosti se také hodně mění. I když mnohé stránky NASA uvádějí starší údaj, asi 2,6 milion krát hmotnost Slunce, výzkumy z let 2008 a 2009 ho výrazně posunuly mnohem výš: něco přes 4 milion násobek hmotnosti naší životodárné hvězdy.
Opět trochu angličtiny slovem i písmem a zajímavou formou:
Video 1: Vesmírná cesta za největšími černými dírami. V 15. minutě je zmíněna i ta v srdci galaxie M87. V době vzniku videa byla její hmotnost odhadována na 4 miliardy Sluncí. Dnes je to o 2,6 miliardy více.
Video2: Vesmírná cesta do středu Mléčné dráhy, k černé díře Sagittarius A
Zdroje: Mc Donald Observatory The University of Texas at Austin, předběžná verze odborného článku