Jak vznikají středně hmotné černé díry?

Nedávná studie vedená výzkumným pracovníkem Gran Sasso Science Institute Manuelem Arcou Seddou a publikovaná v Monthly Notices of the Royal Astronomical Society journal (MNRAS), vrhá nové světlo na mechanismy, které vedou ke vzniku záhadných středně-hmotných černých děr (IMBH). Jedná se o objekty s hmotností mezi několika stovkami a desítkami tisíc hmotností Slunce, které by mohly představovat spojení mezi jejich menšími příbuznými: hvězdnými černými dírami a superhmotnými obry, kteří obývají centra galaxií.

Spektrum černých děr
Ve skutečnosti existují různé typy černých děr: ačkoliv sdílejí tak vysoké hustoty, že ani světlo nemůže uniknout jejich gravitační síle, hmotnost těchto nebeských těles se může měnit ve velmi širokém rozsahu a rozlišovat jejich mechanismus vzniku. Můžeme identifikovat tři makrokategorie astronomického zájmu: hvězdnou, střední a supermasivní.

Ty první, jak název napovídá, vznikají, když hvězda o dostatečně velké hmotnosti (tj. alespoň dvacetkrát hmotnější než naše Slunce) vyčerpá své palivo a podlehne gravitační síle tím, že se zhroutí do sebe: představují nejlehčí typ černé díry a máme jasnou teoretickou představu o procesu vedoucím k jejich vzniku.

V opačném extrému jsou ohromné supermasivní černé díry s hmotností milionkrát nebo miliardkrát větší než hmotnost našeho Slunce. Předpokládá se, že každá galaxie ve svém středu hostí tuto černou veledíru. V roce 2019 se díky dalekohledu Event Horizon Telescope (EHT) podařilo získat první přímý snímek jedné z nich.

Navzdory tomuto impozantnímu úspěchu, formování a narůstání těchto objektů stále představuje fascinující záhadu pro moderní astronomii, zejména kvůli nedostatku definitivní stopy, která by podporovala samotnou existenci středně-hmotných černých děr. A právě to je předmětem studie Arca Sedda, první ze dvou dalších, které jsou v současnosti přezkoumávány.

Obrázek znázorňuje simulovanou hvězdokupu, jak byla vypočtena v simulacích Dragon-II. Oranžové a žluté tečky představují hvězdy podobné Slunci, zatímco modré tečky označují hvězdy s hmotností 20krát až 300krát větší než u Slunce. Velký bílý objekt ve středu snímku představuje hvězdu o hmotnosti asi 350 hmotností Slunce, která se zakrátko zhroutí a vytvoří černou díru střední hmotnosti.

Nepolapitelné středně-hmotné černé díry
„Černé díry střední hmotnosti je obtížné pozorovat,“ vysvětluje výzkumník GSSI, „současné limity pozorování nám neumožňují říci nic o populaci IMBH s hmotností mezi 1 000 a 10 000 hmotností Slunce, a také představují bolení hlavy pro vědce z hlediska možných mechanismů, které vedou k jejich vzniku.“

Jedním z cílů výzkumu bylo právě pokusit se pochopit, jak tyto černé díry vznikají. „Provedli jsme nové počítačové modely, které dokážou simulovat formování těchto záhadných objektů, a zjistili jsme, že takové IMBH se mohou tvořit ve hvězdokupách prostřednictvím složité kombinace tří faktorů: sloučení hvězd mnohem větších než naše Slunce, akrece materiálu na hvězdné černé díry a nakonec sloučení mezi hvězdnými černými dírami. To je proces, jehož výsledkem je možnost „vidět“ tyto jevy prostřednictvím detekce gravitačních vln,“ vysvětluje Arca Sedda.

Studie také předpokládá, co se stane poté, když se zrodí přechodné černé díry: jsou vyhozeny ze svých vlastních shluků složitými gravitačními interakcemi nebo v důsledku procesu známého jako relativistický zpětný ráz, čímž se zabrání jejich dalšímu růstu.

„Naše modely ukazují, že ačkoli zárodky IMBH vznikají přirozeně z energetických interakcí hvězd ve hvězdokupách, je nepravděpodobné, že budou těžší než několik stovek slunečních hmot, pokud nebude mateřská kupa extrémně hustá nebo masivní,“ říká výzkumník GSSI.

Je však třeba odpovědět na důležitou vědeckou záhadu: zda střední černé díry představují spojení mezi hvězdnými a supermasivními černými dírami. Je to otevřená otázka, ale studie dává prostor pro určité spekulace.

„Potřebujeme dvě složky pro lepší objasnění,“ vysvětluje Arca Sedda. „Jeden nebo více procesů schopných tvořit černé díry v hmotnostním rozsahu IMBH a možnost udržet takové IMBH v hostitelském prostředí. Naše studie klade přísná omezení na první složku, což nám dává jasný přehled o tom, které procesy mohou přispět k tvorbě IMBH. Klíčem k získání druhé složky by v budoucnu mohlo být uvažování o masivnějších hvězdokupách obsahujících více dvojhvězd (systémů složených ze dvou hvězd obíhajících kolem sebe). To však bude vyžadovat obrovské úsilí z technologického a výpočetního hlediska.“

Zdroj: https://scitechdaily.com/cracking-the-code-how-intermediate-mass-black-holes-form/

autor: František Martinek