Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 36 – vyšlo 28.září, ročník 10 (2012)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

První pozorování základny výtrysku unikajícího z jádra galaxie

Petr Kulhánek

Existenci zkolabovaných hvězd navrhnul anglický filosof a geolog John Michell (1724–1793) již v roce 1783, kdy se o vlivu gravitace na světlo zmínil v dopise adresovaném Henrymu Cavendishovi (ten v oné době jako první změřil gravitační konstantu). Michell správně uvažoval, že by gravitace velmi hmotných objektů mohla zabránit unikání světla. Jeho myšlenky podpořil jednoduchým výpočtem na základě newtonovské teorie francouzský matematik Pierre Simon Laplace (1749–1827) v roce 1798. Korektní výpočet velikosti takového objektu provedl na základě obecné relativityObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Karl Schwarzschild (1873–1916) až v roce 1916. Poloměr oblasti, ze které světlo nemůže uniknout se proto nazývá Schwarzschildův horizont. Samotné pojmenování černá díraČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v závěrečných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují. se objevilo v roce 1967 a poprvé ho použil významný americký teoretik John Archibald Wheeler (1911–2008). Za objevitele první černé díry je považován anglický astronom Paul Murdin (*1942), který v roce 1971 ztotožnil podivný rentgenový zdroj Cyg X1 s černou dírou. Od té doby bylo objeveno obrovské množství černých děr, které jsou buď pozůstatky hvězdného vývoje, nebo jde o obří černé díry sídlící v centrech galaxiíGalaxie – kompaktní seskupení hvězd, hvězdných asociací, otevřených a kulových hvězdokup, mezihvězdné látky a temné hmoty. Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, aktivní, rádiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je udávána v miliardách až stovkách miliard hmotností Slunce. Galaxie jsou obvykle součástmi vyšších celků, jako jsou kupy, nadkupy, vlákna a stěny. V centrech většiny galaxií se nacházejí obří černé díry.. V obou případech je zpravidla kolem černé díry akreční plyn horkého plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství., které padá do černé díry. Část plazmatu unikne před pádem do černé díry, je zachycena silným magnetickým polem nacházejícím se v okolí a vyvržena ve směru rotační osy v podobě dvou intenzivních výtrysků urychlených částic. I přes velmi rozsáhlý výzkum zůstávají černé díry pro většinu populace čímsi mystickým a dokonce existuje početná skupina vědců, která jejich existenci zpochybňuje. Pozorovací technika posledních let umožňuje zkoumat okolí černých děr v jejich těsné blízkosti. V letošním roce se poprvé podařilo spatřit základnu výtrysku černé díry ve vzdálenosti pouhých několika Schwarzschildových poloměrů od černé díry. Předpokládá se, že v blízké budoucnosti bude možné pozorovat dokonce stíny v okolí černých děr. Manipulační prostor pro lidi, kteří o existenci černých děr pochybují, se tak výrazně zužuje.

Simulace výtrysku v okolí černé díry. Zdroj Michael Brown, Swarthmore College.

Černá díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v závěrečných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují.

AGN – Active Galactic Nuclei, aktivní jádra galaxií. Tato jádra produkují netepelné pulzní UV a RTG záření, v centru sídlí velmi hmotná černá díra obklopená akrečním diskem (n ~ 10¹⁶ cm^-3, T ~ 10⁵ K, B ~ 0,2 T). Přepojení silokřivek magnetického pole je doprovázeno ohřevem elektronů až na 10⁹ K a rentgenovým či gama zábleskem. Existuje celá řada galaxií s aktivními jádry, například Seyfertovy galaxie, linery, blazary a kvazary.

Obecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách.

Galaxie – kompaktní seskupení hvězd, hvězdných asociací, otevřených a kulových hvězdokup, mezihvězdné látky a temné hmoty. Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, aktivní, rádiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je udávána v miliardách až stovkách miliard hmotností Slunce. Galaxie jsou obvykle součástmi vyšších celků, jako jsou kupy, nadkupy, vlákna a stěny. V centrech většiny galaxií se nacházejí obří černé díry.

VLBI – Very Long Baseline Interferometry, radioastronomická metoda přesného měření polohy velmi vzdálených radiových zdrojů. Metoda spočívá v měření časových korelací zaznamenaných šumových signálů třemi a více radioteleskopy, umístěnými na zemském povrchu ve velké vzdálenosti od sebe. Nejcitlivější sítí je evropská EVN, nejznámější je americká VLBA s 10 radioteleskopy o základně 8 600 km. Pomocí této metody je definován souřadnicový systém ICRS.

Černé díry se nacházejí v jádrech většiny galaxií. Jde o obří černé díry (veledíry) s hmotnostmi milionů až tisíců milionů SluncíSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.. Některé z těchto černých děr jsou velmi aktivní, v jejich okolí se ještě nachází dostatek materiálu, který černá díra požírá. Rotující materiál tvoří kolem díry akreční disk. V něm dochází k vnitřnímu tření padající látky, ta se zahřívá a intenzivně září ve všech oborech spektra včetně rentgenového. Pokud dojde ke vzniku výtrysků, září v nich elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. a další částice synchrotronním zářením. To vzniká při šroubovicovém pohybu nabitých částic kolem magnetických siločar. Látka výtrysku ale září i dalšími mechanizmy. Část záření pochází ze srážek nabitých částic a část fotonů původního úzce směrovaného synchrotronního zářeníSynchrotronní záření – záření generované relativistickými elektrony rotujícími kolem magnetických siločar nebo elektrony kmitajícími v měnícím se magnetickém poli. Jde o záření s výraznou polarizací, ze které je možné určit směr magnetického pole. Záření je polarizováno v rovině dráhy elektronu, soustředěno do úzkého kužele, vyzařováno v původním směru pohybující se částice a má spojité spektrum. je rozptýlena do dalších směrů. Výtrysk proto září napříč celým elektromagnetickým spektrem. Konce výtrysků vytvářejí charakteristické radiové laloky – ty vznikají interakcí vyvrhovaných částic s okolním mezigalaktickým prostředím. Pokud se díváme na aktivní galaxii ve směru výtrysku, uvidíme jasný zářící bod v rentgenovém nebo gama oboru, tzv. blazarBlazar – nejenergetičtější skupina galaxií s kompaktním aktivním jádrem. Buď jde o rychle proměnné kvazary OVV (Optically Violently Variable) nebo o proměnné galaxie typu BL Lacertae.. Z jiných směrů vidíme radiovou galaxii, kvazarKvazar – objekty objevené v roce 1963, mají malé úhlové rozměry (<1″) a obrovský zářivý výkon v celém spektru (10³⁵ až 10⁴⁰ W). Kvazary se nacházejí ve velkých kosmologických vzdálenostech, jejich světlo je poznamenáno rozpínáním vesmíru a spektrum je výrazně posunuté k červenému konci. Energetická bilance odpovídá vyzařování celých galaxií. Jde o zárodky budoucích galaxií, v jejichž středu se nachází obří černá díra s charakteristickým výtryskem hmoty. nebo Seyfertovu galaxii. Ve všech případech jde o stejný objekt, pouze ho pozorujeme z jiného úhlu pohledu.

Jedním z nejsledovanějších výtrysků v historii je výtrysk z černé díry v jádře galaxie s katalogovým označením M 87. Tato galaxie se nachází ve vzdálenosti 50 milionů světelných rokůSvětelný rok (ly) – vzdálenost, kterou světlo ve vakuu urazí za jeden rok, 1 ly = 9,46×10¹² km. od ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. a je součástí kupy galaxií v Panně. Z galaxie vybíhá do prostoru dobře patrný výtrysk, jehož délka je přibližně 5 000 světelných roků. Druhý výtrysk vidět není, může to být způsobeno relativistickým potlačením intenzity výtrysku mířícího od nás. Výtrysk z galaxie M 87 byl sledován snad ve všech oborech spektra a přesto, že je podrobně zmapován, nikdy nebyla přímo pozorována oblast jeho vzniku v těsné blízkosti černé díry v centru galaxie M 87.

Tato fotografie výtrysku vyvrhovaného z centra eliptické galaxie M 87 byla pořízena Hubbleovým vesmírným dalekohledemHST (Hubble Space Telescope) – Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnému určení Hubbleovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009. v optickém oboru. Výtrysk má charakteristickou namodralou barvu, která je v kontrastu se žlutou barvou hostitelské galaxie. Zdroj: STScI/AURA.

Výtrysk z galaxie M 87 v různých oborech spektra. Zdroj: Chandra/VLA/HST.

Detaily výtrysku z galaxie M 87. Zdroj: NASA/NRAO/STScl (J. Biretta)

Pozorování v blízkosti horizontu černých děr (zejména té v centru naší Galaxie) by měl umožnit projekt EHT (Event Horizon Telescope). Cílem tohoto ambiciózního projektu je propojit stávající radioteleskopické sítě využívající technologii VLBIVLBI – Very Long Baseline Interferometry, radioastronomická metoda přesného měření polohy velmi vzdálených radiových zdrojů. Metoda spočívá v měření časových korelací zaznamenaných šumových signálů třemi a více radioteleskopy, umístěnými na zemském povrchu ve velké vzdálenosti od sebe. Nejcitlivější sítí je evropská EVN, nejznámější je americká VLBA s 10 radioteleskopy o základně 8 600 km. Pomocí této metody je definován souřadnicový systém ICRS. do jedné jediné celosvětové sítě. Základna celosvětové sítě by byla veliká jako Země a rozlišovací schopnost by umožnila spatřit decimetrové těleso na povrchu Měsíce (pokud by zářilo v radiovém oboru). Pokud vše půjde podle plánů, projekt by mohl být dokončen v roce 2022, jeho součástí budou například sítě VLBAVLBA – Very Large Baseline Array, síť deseti radioteleskopů rozmístěná od Havajských po Panenské ostrovy s délkou základny 8 600 km. Průměr každé antény je 25 m, provozovatelem je National Science Foundation se sídlem v Novém Mexiku. Síť je v provozu od roku 1993., EVNEVN – European VLBI Network, evropská radioteleskopická síť, která funguje od roku 1980, spojuje 12 velikých evropských radioteleskopů, lze ji navíc propojit s britskou sítí MERLIN. Od roku 2004 jsou radioteleskopy spojeny optickými vlákny a síť pracuje jako e-VLBI síť na vlnových délkách od 0,7 cm do 18 cm (1,7÷43 GHz) a nejlepší dosažitelné úhlové rozlišení je lepší než tisícina obloukové vteřiny. nebo ALMAALMA – Atacama Large Millimeter Array. Síť 66 radioteleskopů o průměru 12,5 metru, kterou vybudovala Evropská jižní observatoř (ESO) v chilských Andách ve výšce 5100 m nad mořem na planině Llano Chajnantor v blízkosti městečka San Pedro de Atacama. Smlouva o stavbě byla podepsána v roce 2002, se stavbou se započalo na podzim 2003, stavba byla dokončena na konci roku 2012 a dnes je radioteleskopické pole v plném provozu.. Již nyní tato síť budoucnosti spojuje radioteleskopy na Havaji, v Kalifornii a Arizoně. Pracovníkům observatoře Haystack Observatory in Massachusetts, která patří pod slavnou univerzitu MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO., se za pomoci rodící se sítě EHT podařilo spatřit základnu výtrysku z galaxie M 87 ve vzdálenosti 5,5 Schwarzschildova poloměru (R_g) od centrální černé díry. Pouhý fakt, že základna výtrysku byla nalezena v této vzdálenosti vypovídá o rotaci akrečního disku. Pokud by disk rotoval v opačném směru než černá díra, základna by podle teorie musela být ve vzdálenosti větší než 9 R_g, pokud by nerotoval, byla by ve vzdálenosti 7,4 R_g. Její nalezení ve vzdálenosti 5,5 R_g vypovídá o tom, že akreční disk rotuje ve shodném směru jako centrální černá díra, což odpovídá našim představám o vzniku akrečních disků kolem černých děr. Toto pozorování lze považovat za průlomové a očekává se, že v budoucnu poroste množství pozorování v těsné blízkosti černých děr, které umožní testovat Einsteinovu obecnou relativitu s zatím nedosažitelnou přesností.

Simulace výtrysku z černé díry o hmotnosti veledíry v centru eliptické galaxie M 87. V simulaci se předpokládala rotace černé díry rovná polovině maximální možné hodnoty. Zdroj: Avery Broderick, University of Waterloo/Perimeter Institute.

Odkazy