Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 31 – vyšlo 26. srpna, ročník 20 (2022)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Jak vznikly kvazary

Rudolf Mentzl

KvazaryKvazar – 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. straší astronomy již přes šedesát let. Z počátku byly považovány za rádiové hvězdy, ale když vyšlo najevo, jak jsou daleko, museli jsme si názor opravit. Vzdálenosti kvazarů měříme v miliardách světelných rokůSvětelný rok – ly (light year), vzdálenost, kterou světlo ve vakuu urazí za jeden rok, ly = 9,46×10¹² km. Menšími jednotkami jsou: světelný den, světelná hodina, světelná minuta a světelná sekunda. Větší jednotkou je 1000 ly, což označujeme zkratkou kly. Tyto jednotky se velmi často používají v populárních textech. V odborných textech se spíše využívají parseky., jsou tedy jedny z nejvzdálenějších objektů,které ještě umíme pozorovat. Z jejich zdánlivé hvězdné velikostiMagnituda – někdy též zdánlivá magnituda, logaritmická míra jasnosti objektu, m = −2,5 log J. Tato definiční rovnice se nazývá Pogsonova rovnice (zavedl ji anglický astronom Norman Pogson v roce 1856). Koeficient je volen tak, aby hvězdy s rozdílem pěti magnitud měly podíl vzájemných jasností 1:100. Znaménko minus v definici je z historických důvodů. Magnitudy takto vypočtené odpovídají historickému dělení hvězd do šesti skupin (nula nejjasnější, 5 nejméně jasné pozorovatelné okem). Nejjasnější hvězda na severní polokouli Arcturus má magnitudu −0.05, nejjasnější hvězda celé noční oblohy, Sírius, má magnitudu –1.6. Relativní magnituda vypovídá o skutečné jasnosti hvězdy na obloze, která kromě svítivosti závisí také na vzdálenosti hvězdy. Rozlišujeme bolometrickou magnitudu (v celém spektru) a vizuální magnitudu (pouze ve viditelném spektru). vychází neuvěřitelný zářivý výkon. Vydávají více energie, než celá galaxieGalaxie – 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.. Panuje konsenzus, že za obrovskou svítivostí stojí superhmotná 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.. Dosud jsme ale neměli představu, jak mohly tak obrovské černé díry vzniknout.

Umělecká představa velmi vzdáleného kvazaru ULAS J1120+0641.
Centrální černá díra má dvě milardy Sluncí. Zdroj: ESO.

Kvazar – 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.

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.

Akreční disk – rozptýlený materiál obíhající kolem centrálního tělesa. Díky vzájemným srážkám nakonec preferuje jednu rovinu oběhu, vytváří diskovou strukturu a padá po spirále do středu. Zároveň se materiál zahřívá a vyzařuje elektromagnetické záření. Je-li přítomno magnetické pole, jsou nabité částice urychlovány ve směru rotační osy pryč. Centrálním tělesem bývá hvězda v libovolné fázi svého vývoje.

Kvazary

Kvazary považujeme za aktivní centra vzdálených galaxií. Zdá se, že především časová odlehlost těchto objektů je důvodem, proč je nepozorujeme v blízkém okolí. Pokud měly i blízké galaxie takto bouřlivá jádra, vyčerpala se již před dlouhou dobou. Jen ve vzdálených končinách vesmíru tak můžeme pozorovat to, co už dávno zaniklo.

V dalekohledech se kvazary jeví jako ostré bodové zdroje, musí jít tedy o relativně malé objekty. Tomu nasvědčuje i to, že často mění i svůj výkon. Je zřejmé, že změna jasnosti nemůže být proběhnout rychleji, než informace o události stihne proletět celým systémem. Jediný známý zdroj energie, který by tak rychle dokázal měnit svůj výkon, je černá díra lapající po hmotě v okolí.

První fotografie těsného okolí černé díry (střed galaxie M 87) pořízená sítí radioteleskopů rozmístěných po celé zeměkouli. Zdroj: Wikipedie, CC BY 4.0.

Černé díry

Černé díry existují na papíře již od roku 1916. Tenkrát se snažil Karl Schwarzschild pomocí právě objevené Einsteinovy obecné teorie 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. popsat Sluneční soustavu. Aby si problém zjednodušil, považoval SlunceSlunce – 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. za hmotný bod s nulovým průměrem. Při výpočtech si uvědomil, že v jeho těsné blízkosti má prostor neobvyklé vlastnosti. Tento prostor dnes nazýváme černou dírou, ale sám Schwarzschild nepovažoval řešení za fyzikální.

Následující desetiletí proběhla ve znamení sporů příznivců a odpůrců existence černých děr. Teprve konec století a zdokonalení měřicích technik přineslo dostatek důkazů o jejich reálné existenci. Jako první černá díra byl označen rentgenový zdroj Cyg X1. Černá díra je samozřejmě již ze své podstaty neviditelná, protože její silná přitažlivost nedovolí ani světlu, aby ji opustilo. To však neznamená, že nemůže vyzařovat její okolí.

Černá díra strhávající materiál z okolí vytváří kolem sebe akreční disk a ve směru
osy rotace vyvrhuje urychlené částice. Zdroj: Wikipedie, CC BY 4.0.

Pokud se v okolí černé díry nachází nějaký materiál, typicky plyn a prach, skončí zákonitě v jejím nitru. Po cestě se však jednotlivé částice sráží a zahřívají na vysokou teplotu. Mluvíme o tzv. akrečním disku, který sám začne vyzařovat v rentgenovém oboru. Pokud je přítomno magnetické pole, strhává a urychluje nabité částice v mohutných výtryscích kolmých na akreční diskAkreční disk – rozptýlený materiál obíhající kolem centrálního tělesa. Díky vzájemným srážkám nakonec preferuje jednu rovinu oběhu, vytváří diskovou strukturu a padá po spirále do středu. Zároveň se materiál zahřívá a vyzařuje elektromagnetické záření. Je-li přítomno magnetické pole, jsou nabité částice urychlovány ve směru rotační osy pryč. Centrálním tělesem bývá hvězda v libovolné fázi svého vývoje.. Rychlost unikající hmoty je mnohonásobně vyšší, než je úniková rychlost, a tak se bez problémů vzdaluje po rozvíjející se šroubovici do obrovských dálek. Byly pozorovány pozůstatky takových výtrysků porovnatelných svou délkou s mezigalaktickými vzdálenostmi. Urychlené náboje pak mohou být zdrojem rádiového vyzařování. Všechny tyto jevy již byly pozorovány a dnes již o existenci černých děr nikdo nepochybuje.

Fyzika kvazaru

Vyzařování způsobené pádem hmoty do černé díry je vhodným kandidátem i pro vysvětlení života kvazaru. Obrovská potenciální energie mezihvězdné hmoty se tu mění na záření, které pozorujeme až z blízkosti horizontu pozorovatelného vesmíru. Nepravidelnost v přísunu hmoty vysvětluje i nerovnoměrnost zářivého výkonu kvazaru. Centrální černá díra však musí být bez nadsázky gigantická. Pro daný výkon potřebujeme černou díru s hmotností milionů až miliard násobku hmotnosti našeho Slunce.

Dnes víme, že černé díry mohou vzniknout jako závěrečné stádium vývoje některých hvězd. Takto však mohou vzniknout pouze černé díry s hmotností nejvýše desítek hmotností Slunce. Díky nedávným pokrokům měření gravitačních vlnGravitační vlna – periodicky se šířící zakřivení času a prostoru. Může vzniknout v okolí těles s nenulovým kvadrupólovým momentem, například kolem dvojice rotujících kompaktních hvězd. Právě tyto vlny by měly být nejběžnější a mít frekvenci od 0,1 mHz do 10 kHz. K první přímé detekci gravitačních vln došlo dne 14. září 2015. Gravitační záblesk ze splynutí dvou černých děr středních hmotností ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných roků zachytily oba americké přístroje LIGO. víme, že se černé díry mohou srážet a zvětšovat tím svou hmotnost, nicméně se nezdá reálné, že bychom touto cestou pořídili černou díru srovnatelnou s monstry nacházejícími se v centrech galaxií.

Nezbývá, než se domnívat, že tyto černé díry vnikly postupným nabalováním materiálu mlhovin. Podle takových představ ale právě takovým způsobem vznikají hvězdy. Těžko si představit, že by se ve stále zahušťujícím se oblaku nezažehla termonukleární reakce, která by zabránila další kontrakci. Právě na tomto bodě ještě nedávno uvázlo naše poznání vzniku kvazarů.

Podle týmu Muhamada Latifa z Univerzity Spojených arabských emirátů dokáže současná astrofyzika zrekonstruovat vývoj gigantických černých děr teprve od hmotnosti desetitisíců až stotísíců hmotností našeho Slunce. Pak už je dosah černé díry natolik velký, že si dokáže zajistit dost materiálu, aby dorostla na dnes pozorované hmotnosti. Problém jsou ty první desítky tisíc. Některé studie sice přinesly scénáře, podle kterých takové černé díry mohly vzniknout, ale jsou málo pravděpodobné a nedokážou vysvětlit, proč má dnes ve svém středu černou veledíru téměř každá galaxie.

S rostoucími možnostmi výpočetní techniky se nyní podařilo realizovat simulacePočítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů., které ukázaly mechanizmus, kterým by obří černé díry mohly vzniknout. Počátek simulace byl posunut do období formování prvních galaxií. Vznikající galaxie k sobě z okolí přitahovaly oblaka chladného plynu. Rušivé vlivy prvních hvězd a ostatní nerovnoměrně rozmístěná hmota vyvolaly v plynu silné turbulence. Právě tyto turbulence dokázaly oddálit přirozenou kontrakci mlhoviny a následný vznik hvězd. Simulace ukázaly, že se obrovský oblak mohl bránit kolapsu až do hmotnosti 30 000 ÷ 40 000 Sluncí. Pak se teprve začal hroutit a tento kolaps již nedokázala zadržet žádná termonukleární reakce, která by se v houstnoucím mračnu snad stačila zažehnout.

Navržený mechanizmus se po mnoha simulacích ukázal nejen jako životaschopný, ale zároveň vysvitlo, že k tomuto procesu dochází dostatečně často, abychom mohli vysvětlit tak častý výskyt galaktických černých veleděr. Zdá se, že vznik kvazarů je zákonitým důsledkem vývoje vesmíru.

Odkazy