Mezi známá souhvězdí severní oblohy patří Labuť. Její ocas zdobí jasná hvězda Deneb, součást zářivého letního trojúhelníku, který s ní tvoří Vega v sousední Lyře a Altair v Orlu. V krku Labutě se ale nachází další velmi známý a navíc i tajemný Cygnus X-1 - volným okem neviditelný zdroj intenzivního rentgenového záření. K slávě tohoto podrobně studovaného vesmírného objektu přispěl i Stephen Hawking, který v roce 1975 uzavřel sázku s Kipem Thornem, dalším známým teoretickým fyzikem zabývajícím se mimo jiné také kosmologií černých děr. Na rozdíl od svého amerického kolegy se Hawking přikláněl k názoru, že tajemný rentgenový zdroj v souhvězdí Labutě neukrývá černou díru. I když podstatnou část své vědecké kariéry věnoval právě černým dírám, doufal, že v tomto případě na Thornovi vyhraje čtyřleté předplatné oblíbeného britského satiricko-kritického dvojtýdenníku Private Eye. V roce 1998, na desáté výročí prvního vydání slavné Stručné historie času, ale musel pod tlakem průkazných výsledků pozorování přiznat, že sázku prohrál. To Kipovi Thornovi zajistilo roční předplatné pánského měsíčníku Penthouse, jehož pornografické zaměření si vyžádalo nemalou dávku manželčiny tolerance.
Tedy již nějaký ten rok nepochybujeme, že přibližně 6 tisíc světelných let vzdálený, astronomy ostře sledovaný objekt Cygnus X-1 je první identifikovanou černou dírou. Jednu z největších stelárních, jaké známe. Tedy takové, která se zrodila z hvězdy. Proč ale Cygnus X-1 vysílá rentgenové paprsky? Je součástí binární soustavy – gravitačně vázané dvojice těles obíhajících těžiště soustavy s periodou 5,6 pozemského dne. Jejím "partnerem" je hvězdný modrý obr HDE 226868, jehož vnější obálku okrádá o plyn. Hmota, kterou černá díra Cygnus X-1 z hvězdného giganta přetahuje, se k ní po spirální dráze řítí stále větší rychlostí, přičemž se v důsledku srážek částic zahřívá na teplotu až miliardy Kelvinů a intenzivně září (i) v rentgenové spektrální oblasti. Astrofyzikové však zpočátku dlouho nedokázali najít jednoznačnou odpověď na otázku: Jde o neutronovou hvězdu, nebo černou díru? O této dilemě nakonec svědčí i v úvodu zmíněná sázka dvou proslulých teoretických fyziků.
I proto slavné binární soustavě v Labuti věnovalo svou pozornost mnoho týmů. Jejich zásluhou vznikla velká databáze výsledků měření všech dostupných parametrů. Jenže zdaleka nebyly shodné a i dnes, když si prohlédnete vícero stránek s informacemi o Cygnus X-1, budete mít z některých údajů nemalý zmatek. Odborný časopis Astrophysical Journal ale nyní zveřejnil tři vzájemně související články. Jeden nabízí zpřesnění vzdálenosti Cygnus X-1, druhý hmotnosti a třetí frekvence rotace této černé díry. V autorských kolektivech se některá jména opakují, což odhaluje, že jde o výsledek velké koordinované pozorovací „kampaně“, trvající dva roky a zohledňující měření z několika pozemních i kosmických observatoří.
Hmotnost černé díry lze poměrně jednoduše určit, když známe vzdálenost hvězdného průvodce od těžiště binární soustavy a jeho orbitální rychlost. Jenže přímé pozorování optickými dalekohledy nabízí jenom hodnoty radiální rychlosti, tedy složky ve směru k Zemi. Skutečnou oběžnou rychlost je nevyhnutné vypočítat, a k tomu je potřebné určit i inklinaci - sklon, pod jakým se nám promítá rovina oběhu obou těles okolo společného těžiště. Autoři nové studie se na základě nejlepší shody modelu s pozorováním přiklonili k hodnotě okolo 27 °.
A to vše bylo potřeba zjistit na vzdálenost, kterou měření zpřesnila na hodnotu 6 063 světelných let. V přepočtu je to přes 57 biliard 327 bilionů kilometrů – a to je dálka, kterou můžeme vnímat jen jako astronomicky velké číslo, ale představit si ji, to se vymyká schopnostem i těch, co jezdí nebo létají na velmi dlouhé tratě.
Přesto i tuto obrovskou vzdálenost astronomové určili trigonometrickou metodou – měřením paralaxy (princip viz obrázek vpravo) pomocí Very Long Baseline Array (VLBA), rozsáhlé sítě deseti 25metrových parabol radioteleskopů umístěných po celém území USA. Největší vzdálenost - 8 611 km - je mezi parabolickými anténami na havajské sopce Mauna Kea u západního pobřeží USA a na ostrově Svatý kříž, jenž je součástí Panenských ostrovů v Karibském moři. Všech deset antén bylo v průběhu jednoho roku (leden 2009 až leden 2010), pravidelně každé tři měsíce na deset hodin namířeno do krku Labutě, kde se Cygnus X-1 nachází. 5 krát deset minut z deseti radioteleskopů poskytlo astronomům takové množství dat, že mohli změřit přes 6 000 světelných let velkou vzdálenost s jenom 6% mírou nepřesnosti. A to je vskutku na hranici možnosti, kterou metoda stanovení paralaxy nabízí. Když si uvědomíme, že měřený trojúhelník má základnu 2 astronomické jednotky, tedy 300 milionů kilometrů a výšku přes 57 biliard kilometrů, pak je jasné, jak nepatrný úhel se astronomové snažili určit. Výsledná hodnota paralaxy (tedy poloviny vrcholového úhlu svíraného směry Země – pozorovaný objekt ve dvou protilehlých bodech na zemské oběžné dráze, jejichž spojnice je kolmá na výšku tohoto trojúhelníku) je 0,539 (± 0,033) obloukové milisekundy, která se označuje zkratkou mas z anglického milliarcsecond. Tedy něco přes půl obloukové milisekundy, což je také těžko představitelný údaj, jemuž odpovídá asi 2,4 miliardtiny kruhu. Vzdálenost se pak vypočítá jako převrácená hodnota paralaxy (1/p). Když ji zadáme v obloukových sekundách (0,000539), výsledek udává hodnotu v dalších známých astronomických jednotkách – v parsecích: necelých 1 860 pc, neboli 1,86 kpc. Parsec (parallax of one second) je vzdálenost objektu, jehož paralaxa je jedna oblouková sekunda, a to je přibližně 3,26 světelného roku.
Po vynásobení dostáváme hodnotu vzdálenosti Cygnus X-1: 6 063 světelných let.
Opakovaná měření systémem deseti synchronně pracujících velkých radioteleskopů ale umožnila nejen změřit tuto vzdálenost, ale určit i směr a rychlost pohybu binární soustavy HDE 226868/Cygnus X-1 vzhledem k samotné Mléčné dráze. Složky tohoto vlastního pohybu, nezávislého na oběhu okolo těžiště soustavy, jsou: 17 km/s směrem k centru Galaxie, -11 km/s vzhledem na směr a rychlost její rotace a 6 km/s směrem ke galaktickému severnímu pólu. Výsledná rychlost (velkost vektoru) 21 km/s je podle astronomů příliš malá na to, aby ji způsobil „kopanec“, který by soustavě udělil výbuch supernovy, velkolepé derniéry masivní hvězdy, jejíž pozůstatkem by černá díra měla být. V článku astronomové doslova uvádějí: „Tento výsledek podporuje domněnku, že černá díra mohla vzniknout bez exploze supernovy.“
To ale stále není vše. Další článek v Astrophysical Journal se věnuje rotaci černé díry – a ta je překvapivě rychlá. Studie se opírá o data získaná známým, již dvanáctiletým kosmickým rentgenovým teleskopem Chandra a detektorem All-Sky Monitor na palubě sondy Rossi X-ray Timing Explorer, která šestnáctým rokem z oběžné dráhy mapuje časovou strukturu rentgenových zdrojů. V této spektrální oblasti září hmota, kterou gravitace černé díry strhává z vnějších vrstev své gigantické hvězdné společnice a pak urychluje v akrečním disku na relativistické rychlosti. Astronomové ale museli využít i další zpřesněné parametry binární soustavy HDE 226868/Cygnus X-1, aby mohli vytvořit několik modelů a jejich výsledky porovnat s realitou. Ty nejlepší korelace naznačují, že jestli jsou vstupné údaje správné, pak černá díra rotuje obrovskou rychlostí - její horizont událostí, tedy hranice zpod níž již není návratu ani pro částice světla, fotony, se podle výpočtu otočí minimálně 790 krát za sekundu! To je přibližně 47 krát rychleji než 1000obrátkové ždímání pračky. A jak je horizont událostí, který můžeme považovat za „povrch“ černé díry, velký? Protože podle nových výpočtů se její hmotnost rovná 14,8 násobku hmotnosti Slunce, odhad jejího poloměru se pohybuje okolo 44 km. Kdyby nešlo o černou díru, ale těleso s pevným povrchem, pak by bod na jeho rotačním rovníku každou sekundu „přeběhl“ asi 219 000 km, a to jsou téměř 3/4 rychlosti světla. Je to ale jen cvičení představivosti, žádná částice s horizontem událostí nerotuje. Cygnus X-1 je svět naší fantazii nedostižný.
Jak černá díra k tak rychlým obrátkám dospěla? Nad tím si astronomové lámou hlavu. Výpočty vylučují možnost, že by ji urychlila hmota, kterou si spolu se zlomkem momentu hybnosti krade ze své hmotnější gigantické hvězdné souputnice. Kdyby se totiž tímto způsobem měla postupně roztáčet původně nerotující černá díra, trvalo by jí to minimálně 31 milionů let, v průběhu kterých by akrecí musela získat hmotu 7,3 násobku našeho Slunce. Jenže podle modelů se Cygnus X-1 zrodila před přibližně 6 miliony let (někdy před 7,6 až 4,8 miliony let). Proto je pravděpodobnější předpoklad, že svižnou rotaci má „vrozenou“. Může jít o důsledek velmi rychlé akrece nadkritického množství hmoty, přičemž původní těleso zkolabovalo v černou díru. To by zároveň souhlasilo s již zmíněnou relativně nízkou rychlostí vlastního pohybu Galaxií a nepravděpodobným zrodem v explozi supernovy.
Stručné shrnutí zpřesněných parametrů binární soustavy HDE 226868/Cygnus X-1:
Vzdálenost: 6 063 světelných let
Hmotnost hvězdy HDE 226868, modrého obra spektrální třídy O: 19,2 násobek hmotnosti Slunce (±1.9M ☉)
Povrchová teplota hvězdy: okolo 31 000 K
Poloměr hvězdy: 16,2 násobek poloměru Slunce
Hmotnost černé díry Cygnus X-1: 14,1 násobek hmotnosti Slunce (±1.0M ☉)
Poloměr horizontu událostí: asi 45 km
Věk černé díry: 4,8 - 7,6 miliony let
Oběžná doba okolo těžiště binární soustavy: 5,6 pozemského dne
Sklon roviny oběhu z pohledu ze Země: 27,1 stupňů (± 0,8 °)
Excentricita: 0,0018
Odborné články s novými výsledky měření:
Mark J. Reid et al.: The Trigonometric Parallax of Cygnus X-1
Lijun Gou et al.: The Extreme Spin of the Black Hole Cygnus X-1
Jerome A. Orosz et al.: The Mass of the Black Hole in Cygnus X-1
Zdroje: uvedené články, National Radio Astronomy Observatory news