Centrum vzdialenej galaxie dostalo podľa vedcov štikútku. Čo to znamená pre vesmír?

V strede každej galaxie sa nachádza supermasívna čierna diera. Tá je, ako napovedá jej meno, úplne iná váhová kategória než klasické čierne diery.

Zatiaľ čo tie „obyčajné“ majú rádovo váhu desať až sto hmotností Slnka, pri supermasívnych môžeme hovoriť o milióne až desiatich miliardách násobkov hmotnosti našej hviezdy.

Supermasívne čierne diery sú teda oveľa ťažšie, než si človek dokáže predstaviť, naďalej požierajú všetku hmotu aj svetlo, ktoré prekročí ich horizont udalostí, a svojou prítomnosťou ovplyvňujú dianie vo vesmíre.

„Čierne diery uprostred najväčších eliptických galaxií sú len o niečo menšie ako celá naša slnečná sústava. Aby ste si vedeli predstaviť ich dosah, tak ich horizont udalostí je asi taký veľký ako vzdialenosť od Slnka po Neptún,“ povedal v minulosti pre denník N Norbert Werner, ktorý na výskume, o ktorom v tom článku píšeme, neparticipoval.

Mimo bežnej predstavivosti je aj vzdialenosť supermasívnej čiernej diery, ktorá je v strede našej galaxie a ktorú od Zeme delí bezpečných 26-tisíc svetelných rokov.

Astronómovia z Massachusettského technologického inštitútu v USA (MIT), Talianska, Českej republiky a ďalších krajín skúmali supermasívnu čiernu dieru, ktorá je ešte oveľa ďalej. Nachádza sa v strede galaxie vzdialenej asi 800 miliónov svetelných rokov od Zeme.

Prebudená čierna diera

Vedcov vzdialená čierna diera zaujala tým, že aj keď v minulosti bola jej bežná „nátura“ pokojná, náhle vzplanula a približne štyri mesiace vypúšťala každého 8,5 dňa chuchvalce plynu. Potom sa opäť vrátila do pokojného stavu.

Astronómovia tento jav nazvali „štikútkou“, pričom ide o správanie, ktoré pozorovali a opísali vôbec prvýkrát. Štúdiu s ich výsledkami koncom marca zverejnil prestížny časopis Science Advances.

„Štikútka je obrazné pomenovanie toho, že z tesného okolia čiernej diery pravidelne vybiehajú chuchvalce plynu, ktoré pozorujeme v röntgenovej emisii,“ povedal pre Denník N astrofyzik Michal Zajaček z Masarykovej univerzity v Brne, ktorý spolu s ďalšími kolegami z Česka zisťoval, čo to mohlo spôsobiť.

Najpravdepodobnejším vysvetlením týchto výronov je podľa nich aktivita inej menšej čiernej diery, ktorá okolo tej supermasívnej obieha.

„Menšia čierna diera pod určitým sklonom preráža akréčny disk supermasívnej čiernej diery a tým vystreľuje smerom k nám chuchvalce plynu,“ hovorí Zajaček. Preto každého 8,5 dňa vyvrhovala materiál z plynného disku, čo pri troche predstavivosti vyzerá, ako keby stred vzdialenej galaxie dostal štikútku.

Disky okolo čiernych dier

Vedci doposiaľ o akrečných diskoch, ktoré rotujú okolo čiernych dier, predpokladali, že ide o relatívne uhladené plynné útvary. Nové výsledky však naznačujú, že môžu mať oveľa rozmanitejšiu štruktúru a navzájom sa ovplyvňujú s okolitými hviezdami či ďalšími čiernymi dierami, ktoré sa s akrečným diskom zrážajú.

„Domnievali sme sa, že toho o čiernych dierach vieme veľa, ale tento nový jav nám ukazuje, že toho dokážu oveľa viac,“ uviedol v tlačovej správe autor štúdie Dheeraj „DJ“ Pasham z Kavliho inštitútu pre astrofyziku a vesmírny výskum na MIT.

„Myslíme si, že takých systémov bude vo vesmíre pomerne veľa, len musíme spraviť ďalšie merania, aby sme ich objavili,“ dodal.

Vhodné načasovanie prírody

Vedci túto netradičnú dvojicu čiernych dier objavili v dátach siete dvadsiatich robotických ďalekohľadov umiestnených na rôznych miestach severnej a južnej pologule. Tieto teleskopy raz denne automaticky prehľadajú celú oblohu, pričom sa zameriavajú na hľadanie supernov a ďalších časovo premenlivých javov.

V decembri 2020 takto zaznamenali svetelný záblesk na relatívne pokojnej a tmavej časti oblohy, v galaxii vzdialenej asi 800 miliónov svetelných rokov. Upozornenie na tento opakujúci sa jav si Pasham všimol viac-menej náhodne.

Vedec následne na záblesk zameral röntgenový teleskop NASA NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer), ktorý nepretržite monitoruje oblohu z paluby Medzinárodnej vesmírnej stanice. Jeho úlohou je nachádzať röntgenové záblesky, ktoré by mohli signalizovať aktivitu neutrónových hviezd, čiernych dier a ďalších extrémnych gravitačných javov.

Načasovanie podozrivých dát bolo podľa autorov štúdie príhodné, pretože sa blížil koniec ročného výskumného obdobia, počas ktorého mal Pasham možnosť teleskop aktivovať.

„Buď to využijem teraz, alebo nikdy,“ povedal si vedec a naviedol teleskop na pozorovanie vzdialenej galaxie, ktorá v tom čase ešte stále intenzívne žiarila. Denné meranie jej röntgenového žiarenia robil aj počas ďalších štyroch mesiacov, keď galaxia „štikútala“.

Český tím

Keď sa potom Pasham podrobne pozeral na získané dáta, všimol si v rámci štvormesačného vzplanutia už spomenutý zvláštny vzorec jemných poklesov vo veľmi úzkom pásme röntgenového žiarenia, ktoré sa opakovali po 8,5 dni. Výron energie z galaxie sa pritom s každým ďalším opakovaním pomaly zmenšoval.

Signál sa podobal tomu, čo astronómovia pozorujú, keď obiehajúca planéta prejde pred svojou hostiteľskou hviezdou a na krátky čas zablokuje jej svetlo. Žiadna hviezda by však nebola schopná zatieniť takú silnú erupciu. „Škrabal som sa na hlave a premýšľal, čo to znamená, pretože takéto správanie nezodpovedalo ničomu, čo sme o supermasívnych čiernych dierach doteraz vedeli,“ spomína vedec.

Tu prichádza na scénu vedecký tím z Českej republiky. Pashman totiž narazil na nedávnu prácu vedeckej skupiny pod vedením astronómky Petry Sukovej.

Tá prišla nezávisle od vedcovho pozorovania s modelom, v ktorom okolo centrálnej supermasívnej čiernej diery v strede galaxie obieha druhá, oveľa menšia čierna diera s hmotnosťou približne sto hmotností Slnka. Táto sekundárna čierna diera potom na svojej obežnej dráhe pravidelne prerážala disk primárnej čiernej diery a tým z jej disku opakovane vytláčala chuchvalce plynu.

Silné magnetické polia na „sever“ a na „juh“ od čiernej diery potom mohli tento chuchvalec vystreliť hore a von z disku. Zakaždým keď menšia čierna diera preletela diskom nadzvukovou rýchlosťou, vyvrhla ďalší chuchvalec v pravidelnom, periodickom rytme.

Pokiaľ sa tento chuchvalec pohyboval smerom k Zemi, mohol raz za čas krátko pohltiť časť žiarenia disku, vďaka čomu ho bolo možné zaznamenať ako pokles celkovej energie vyžiarenej galaxiou.

Silné nepriame dôkazy

Český tím teda v nasledujúcich rokoch porovnával výsledky svojich simulácií s dátami, ktoré nazbierali vedci z MIT, až kým štatisticky nepotvrdili, že s najväčšou pravdepodobnosťou naozaj ide o takúto netradičnú sústavu čiernych dier.

„Máme pomerne veľa kandidátov na takýto systém dvoch čiernych dier, pretože vedcov to vždy fascinovalo, napríklad kvôli možnej detekcii gravitačných vĺn,“ hovorí Zajaček. Silné dôkazy, hoci nepriame, ktoré vedci potvrdili, znamenajú, že by takýmto spôsobom mohli hľadať v dátach aj ďalšie potenciálne binárne systémy.

„To, že čierne diery sú naozaj čierne a priamo môžeme pozorovať iba plyn, ktorý okolo nich žiari, samozrejme, komplikuje ich hľadanie a výskum. Pri takomto binárnom systéme, keď okolo seba obiehajú dve čierne diery, stále nie je úplne zrejmé, ako by sa to mohlo na žiarení prejavovať,“ vysvetľuje Zajaček.

Stredne hmotná čierna diera?

Vzácna je aj vypočítaná hmotnosť menšej čiernej diery, ktorá musí mať hmotnosť aspoň sto hmotností Slnka, aby vedela vyvrhnúť namerané množstvo hmoty.

„Takéto ťažké čierne diery sú vzácne a veľa o nich nevieme. Nemôžu totiž vznikať kolapsom starých hviezd, z tých vznikajú čierne diery asi polovičnej hmotnosti,“ uvádza v správe ďalší zo spoluautorov štúdie, Vojtech Witzany z Karlovej Univerzity v Prahe. Doteraz len hypotetická idea o existencii novej triedy stredne hmotných čiernych dier vo vesmíre tak podľa neho získava ďalšiu podporu.

Tieto typy čiernych dier, sú už veľmi hmotné na to, aby boli súčasťou takzvanej dvojhviezdy, ktorú vedci vedia zachytiť, ale sú primalé, aby astronómovia z veľkej diaľky jasne videli, ako požierajú hmotu okolo seba. Práve preto doteraz žiadnu takúto čiernu dieru nenašli.

Galaxia so štikútkou. Zdroj – YouTube/Astronomický ústav AV ČR

„Menšia čierna diera, ktorú sme pozorovali, pravdepodobne nepatrí k tým, ktoré vznikli po zániku veľkej hviezdy, pretože tie sú o niečo ľahšie. Je teda možné, že vznikla splynutím dvoch alebo viacerých iných čiernych dier,“ vysvetľuje Zajaček.

Poukazuje to podľa neho na to, že množstvo malých veľmi čiernych dier sa vo vesmíre postupne formuje do čoraz väčšieho celku a postupne sa približuje k tej v strede galaxie.

„To nám pomáha odhaliť dynamiku centier galaxií aj postupný osud jednotlivých vesmírnych telies,“ hovorí astronóm s tým, že aj pozorovaná čierna diera raz spadne do tej, okolo ktorej dnes obieha. Bude to však pravdepodobne až o 10-tisíc až 100-tisíc rokov. Čierne diery v centrách galaxií hrajú významnú úlohu v ich vývoji, pretože ovplyvňujú tvorbu hviezd či planét.

Prečo galaxia štikútala len 8 týždňov?

Vedci spätným porovnaním s archívnymi dátami zistili, že galaxia bola pred decembrom 2020 relatívne pokojná a mala najskôr iba riedky, difúzny akrečný disk. „Preto okolo nej druhá, menšia čierna diera obiehala dlho v relatívnom utajení,” vysvetľuje Petra Suková.

Z utajenia ju pravdepodobne dostal tretí objekt – napríklad blízka hviezda –, ktorý prišiel príliš blízko, a obrovská gravitácia supermasívnej čiernej diery ho rozmetala na kusy. Náhly prísun hviezdneho materiálu na pár týždňov rozjasnil akrečný disk čiernej diery, ktorá štyri mesiace požierala zvyšky hviezdy, zatiaľ čo druhá čierna diera ju naďalej obiehala a vyvrhovala chuchvalce, ktoré vylietali priamo smerom k ďalekohľadu NICER.

Gravitačné vlny

Objav môže byť v budúcnosti dôležitý aj pri hľadaní gravitačných vĺn.

„Súputníci superhmotných čiernych dier postupne špirálujú do centra galaxie a vyžarujú pritom gravitačné vlny,“ uviedol Vojtech Witzany, ktorý spomenul aj gravitačnovlnový detektor LISA, ktorý má za približne dekádu poslať do vesmíru Európska kozmická agentúra.

Detektor bude merať gravitačné vlny vo vesmíre na nižších frekvenciách. Bude sa teda zameriavať práve na systémy, kde okolo veľkých čiernych dier obiehajú tie menšie.

Gravitačné vlny môžu preniknúť cez všetky formy hmoty bez toho, aby ich významne absorbovala, rozptýlila alebo aby sa počas toho stratili nejaké informácie. Sú teda niečo ako povytŕhané stránky denníka histórie vesmíru, ktoré poletujú vesmírom.

Jedným z konečných cieľov vedcov je pritom nájsť gravitačnú vlnu, ktorá vznikla pri zrode vesmíru.