Ani mezi běžnou populací, natož pak mezi fanoušky kosmonautiky, pravděpodobně neexistuje skoro nikdo, kdo by alespoň jednou neslyšel o černých dírách. Tyto extrémní vesmírné objekty jsou mezi lidmi velmi populární. Za to vděčí zřejmě jednak vhodně zvolenému názvu, jednak jakési tajemnosti, která spoustu lidí přitahuje. S černými dírami se navíc spojuje nevyhnutelnost definitivního konce všeho, neboť černé díry vykazují tak masivní zakřivení prostoročasu, že z nich nemůže uniknout ani světlo. Když se nějaký objekt přiblíží příliš blízko černé díře, slapové efekty ho roztrhají a následně je pohlcen černou dírou. Nedávno astronomové pozorovali, jak černá díra zkonzumovala jednu z hvězd. A protože se na objevu podílelo i několik kosmických observatoří, dnes si jej společně představíme.

Jak se sledují černé díry

Umělecké srovnání černých děr z gravitační události GW150914 (vlevo) a GW151222 (vpravo).
Zdroj: https://www.ligo.org/

Možná si říkáte, jak se vlastně černé díry mohou pozorovat, když je známo, že nic nevyzařují (kromě Hawkingova záření, ale to můžeme zanedbat). Existuje několik způsobů. Poměrně nově máme k dispozici gravitační vlny. Toto vlnění prostoročasu nám může přinést celou řadu užitečných informací o černých dírách a jejich vlastnostech a už jsme tímto způsobem zhruba 200 černých děr také pozorovali. Dalo by se o tom hovořit mnohem déle, ale to není účelem tohoto texu. Zájemce proto odkáži na svůj dlouhý text o gravitačních vlnách, popřípadě na nový seriál o novinkách z této oblasti astronomického vývoje.

Umělecká představa černé díry a jejího souputníka. V tomto případě jde o systém Cygnus X-1.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Druhý, starší, způsob spočívá v tom, že sama černá díra sice nic nevyzařuje, ale její okolí může. Jsou-li v blízkosti černé díry jiné objekty, například hvězdy, dokáže je někdy černá díra roztrhat. Materiál z hvězd pak krouží kolem černé díry v tzv. akrečním disku a postupně padá pod horizont událostí, hranici odkud není návratu. Tento princip platí u hvězdných černých děr, tímto způsobem byla detekována například první černí díra Cygnus X-1, ale též u mnohonásobně větších supermasivních černých děr, které často podobným způsobem pohlcují hvězdy, jež kolem nich obíhají.

Rentgenová observatoř Chandra
Zdroj: https://astrobiology.nasa.gov/

A protože je materiál padající do černé díry hodně zahřátý vlivem divokých fyzikálních procesů probíhajících v akrečním disku, vydává především rentgenové a gama záření. Při nedávné studii jedné hvězdy padající do supermasivní černé díry proto astronomové použili především rentgenové kosmické observatoře Chandra a XMM-Newton. Jde v tuto chvíli o největší vesmírné rentgenové observatoře. Obě byly vypuštěny v roce 1999, fungují však bez větších potíží až dodnes.

Nová pozorování

Umělecká představa černé díry v jádru galaxie PGC 43234, která požírá hvězdu ASASSN-14li.
Zdroj: https://cdn.sci.news/

Astronomové v nedávné době pozorovali celou řadu událostí při nichž černá díra slapovým působením zlikvidovala jednu z hvězd ve svém okolí, která se k ní dostala až moc blízko. Hvězda je v takovém případě rozervána a její vnitřek se rozptýlí po okolním prostoru. To vede k erupci elektromagnetického záření pozorovatelné zejména v rentgenové oblasti spektra. Z posledních let vyniká zejména pozorování hvězdy ASASSN-14li. Zajímavé je na ní to, že obíhala kolem supermasivní černé díry vzdálené od Slunce jen 290 milionů světelných let, což je na kosmické poměry doslova za rohem, takže jsme získali celou řadu podrobností, které by nám vzdálenější událost neposkytla.

Data z ASASSN-14li pro uhlík a dusík.
Zdroj: https://chandra.harvard.edu/

ASASSN-14li byla poprvé zaznamenána v roce 2014, od té doby ji ale sledovalo množství observatoří, mezi jinými právě Chandra a XMM-Newton. Na základě nových dat analyzovali událost odborníci z University of Michigan a zjistili celou řadu zajímavých informací. Jon Miller se svým týmem zkoumal množství dusíku a uhlíku v okolí černé díry a také vzájemný poměr obou prvků. Že se zde tyto prvky vyskytují se vědělo již dříve, Millerova skupina však použila nové teoretické modely k lepšímu odhadu.

Pohled do kupy galaxií ve Vlasech Bereniky. Žlutá skvrnka téměř přesně uprostřed snímku je galaxie PGC 43234, v níž se nacházela hvězda ASASSN-14li.
Zdroj: https://cdn.sci.news/

Je třeba poznamenat, že tento uhlík a dusík dříve v soustavě nebyly, vytvořily se právě až ve hvězdě, kterou supermasivní černá díra rozervala. Z množství a poměru uhlíku a dusíku se přitom ukázalo, že původní hvězda měla hmotnost rovnou asi trojnásobku hmotnosti našeho Slunce. ASASSN-14li je proto jednou z nejhmotnějších hvězd u nichž kdy bylo pozorováno, že se vlivem působení slapových efektů u černé díry rozpadly. Přitom už jen to, že se podařilo určit její hmotnost je pozoruhodné samo o sobě, ale to, že šlo o tak velkou hvězdu přidává na efektu. Hmotné hvězdy jsou totiž výrazně méně četné než hvězdy lehké, proto je nepozorujeme zdaleka tak často za běžných podmínek, natož za okolností takto specifických.

Další pozorování a důsledky nového měření

Umělecká představa okolí černé díry i s akrečním diskem.
Zdroj: https://root-nation.com/

Jiná skupina astronomů nedávno informovala o pozorování hvězdy o hmotnosti asi čtrnáctinásobku Slunce, která byla zničena černou dírou. Prozatím se však nepotvrdilo, že byl zánik hvězdy způsoben slapovými efekty, ale ani to, že by hvězda skutečně měla tak velkou hmotnost. Odhad její hmoty je totiž založen na jasnosti pozorované erupce, nikoliv na analýze materiálu v akrečním disku černé díry jako u ASASSN-14li. Na potvrzení tohoto měření si tak ještě budeme muset nějakou dobu počkat.

ASASSN-14li může být velmi důležitá i pro budoucí pozorování a studie v naší Mléčné dráze. Kolem jádra naší Galaxie totiž astronomové pozorovali množství hvězd z nichž některé patří do kategorie středních hmotností, podobně jako ASASSN-14li. To, že umíme odhalit hvězdy u černých děr pomocí slapových efektů a ještě navíc určit jejich hmotnost, nám poskytuje nástroj, jak identifikovat hvězdy a hvězdokupy i u poměrně dosti vzdálených supermasivních černých děr.

Pohled do centrální oblasti Mléčné dráhy.
Zdroj: https://im.tiscali.cz/

Až do zveřejnění nové práce existovala navíc možnost, že prvky pozorované v rentgenovém záření v okolí černých děr by mohly pocházet z plynu uvolňovaného při erupcích materiálu z akrečního disku supermasivní černé díry. Minimálně v tomto případě se však podařilo prokázat, že materiál skutečně pochází z jediné rozpadlé hvězdy. A není důvod proč bychom se měli domnívat, že je tento případ jedinečný a že tedy přinejmenším u části černých děr nebude mechanismus uvolnění těžších prvků obdobný.

Závěr

Pro studium hvězd a materiálu v okolí černých děr je rentgenové záření velmi vhodné. ASASSN-14li už sice byla dříve studována skrze malé okno ultrafialového záření, které vidí Hubbleův dalekohled, to však není dostatečné, proto jsou data poněkud méně přesná oproti nové studii využívající přední rentgenové observatoře. Zdá se, že se astronomům povedl průlom, který umožní získat výrazně přesnější výsledky než bylo dříve možné.

Opravy a doplnění

• 9. března v 22:30 Na dvou místech jsem opravil chybu, když jsem psal o uhlíku a kyslíku. Správně mělo jít o uhlík a dusík.
• 9. března v 22:35 Doplnil jsem větu o vzdálenosti supermasivní černé díry. Očekával jsem, že při troše zamyšlení bude jasné, že 290 milionů světelných let se vztahuje ke vzdálenosti černé díry od Slunce, nikoliv ke vzdálenosti černou dírou zničené hvězdy od této černé díry. Protože to však všem jasné nebylo, doplnil jsem tu větu tak, aby to jasné již bylo.

Použité a doporučené zdroje

• NASA Chandra: https://www.nasa.gov/mission/chandra-x-ray-observatory/
• ESA XMM-Newton: https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/XMM-Newton_overview
• Phys.org: https://phys.org/

Zdroje obrázků

• https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/chandra_.jpg
• https://www.ligo.org/detections/images/GWmergerCombo.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/98/Black_hole_Cygnus_X-1.jpg
• https://astrobiology.nasa.gov/uploads/filer_public_thumbnails/filer_public/e8/fc/e8fc19cf-3783-4c7c-b6c6-2d756448ced3/chandra_hero.jpg__1240x510_q85_crop_subject_location-620%2C254_subsampling-2.jpg
• https://cdn.sci.news/images/enlarge2/image_3365_1e-ASASSN-14li.jpg
• https://chandra.harvard.edu/photo/2023/tde/tde_graph_525.jpg
• https://cdn.sci.news/images/enlarge2/image_3365_2e-ASASSN-14li.jpg
• https://root-nation.com/wp-content/uploads/2023/08/black-hole-tidal-disruption-event-1-1200×900.jpg
• https://im.tiscali.cz/nedd/2015/01/06/444895-sagittarius-a-653x367_original.jpg?1587596281.0