Smrtelný výkřik roztrhané hvězdy ve vzdálené galaxii

V roce 2011 astronomové objevili klidnou černou díru ve vzdálené galaxii, která se rozzářila po konzumaci hvězdy roztrhané na kusy, jež se neprozřetelně přiblížila do její blízkosti. Vědci identifikovali výrazný signál rentgenového záření pozorovaný ve dnech následujících po vzplanutí, který přicházel z okraje proudu hmoty padajícího na černou díru.

Tento signál označovaný jako kvaziperiodická oscilace (QPO) je charakteristickou vlastností akrečních disků, které často obklopují nejkompaktnější objekty ve vesmíru – bílé trpaslíky, neutronové hvězdy a černé díry. Kvaziperiodické oscilace bývají pozorovány u většiny černých děr hvězdného původu. Mohly by poskytnout důkaz existence černých děr střední velikosti, které mohou mít průměrnou hmotnost v rozmezí 100 až 100 000 hmotností Slunce.

„Tento objev posouvá náš dosah až k vnitřnímu okraji černé díry vzdálené miliardy světelných roků, což je opravdu úžasné. To nám dává příležitost k výzkumu vlastností černých děr a možnost testování Einsteinovy teorie relativity v době, kdy byl vesmír relativně mladý a velmi odlišný než dnes,“ říká Rubens Reis (University of Michigan). Rubens Reis byl vedoucím týmu, který objevil signály kvaziperiodických oscilací na základě studia dat z japonské astronomické družice Suzaku a evropské kosmické observatoře XMM-Newton, které pozorují vesmír v oboru rentgenového záření.

Zdroj rentgenového záření známý jako Swift J1644+57 – který se nachází v souhvězdí Draka – byl objeven 28. 3. 2011 kosmickou observatoří NASA s názvem Swift. Původně se předpokládalo, že se jedná o zcela obvyklý typ vzplanutí označovaného jako záblesk záření gama, avšak jeho pozvolné slábnutí neodpovídalo ničemu, co bylo pozorováno dříve. Astronomové brzy změnili svoji představu, že to, co zde bylo pozorováno, je důsledek skutečně mimořádné události – probuzení podřimující černé díry ve vzdálené galaxii v důsledku roztrhání a pohlcení náhodně prolétající hvězdy. Galaxie je od nás tak daleko, že světlo emitované při této události potřebovalo na cestu 3,9 miliardy roků, než doputovalo na Zemi.

Hvězda je přitom vystavena intenzivnímu působení slapových sil. Jakmile se nejvíce přiblíží k černé díře, je velmi rychle roztrhána. Většina plynů, z nichž je složena, směřuje k černé díře a vytváří disk v jejím okolí. Vnitřní část tohoto disku se velmi rychle zahřívá na teplotu několika miliónů stupňů, která je dostatečná k emitování rentgenového záření. Ve stejném okamžiku v důsledku procesů, které stále ještě nejsou zcela známy, jsou vytvářeny v blízkosti černé díry protilehlé výtrysky částic (tzv. jety) kolmé na rovinu disku. V těchto výtryscích je hmota vymršťována pryč rychlostí větší než 90 % rychlosti světla podél rotační osy supermasivní černé díry. Jeden z těchto výtrysků náhodou směřoval přímo k Zemi.

„Protože se částice ve výtryscích pohybovaly tak rychle a směřovaly téměř ve směru našeho pohledu, relativistické efekty dostatečně zesílily intenzitu rentgenového záření, které jsme mohli zachytit jako signál QPO, který by byl jinak na tak velkou vzdálenost detekován jen obtížně,“ říká Tod Strohmayer, astrofyzik a spoluautor studie z NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland.

Jak horký plyn ve vnitřní části disku padá po spirále na černou díru, dosáhne oblasti, kterou astronomové označují jako nejvnitřnější stabilní kruhová oběžná dráha (innermost stable circular orbit, ISCO). Blíže k černé díře plyn rychle padá dovnitř horizontu událostí – do oblasti, odkud není návratu. Plyn padající dovnitř po spirální dráze má tendenci se nahromadit kolem oblasti ISCO, kde je intenzivně zahříván a začíná zářit v oboru rentgenového záření. Intenzita záření se charakteristicky mění, opakuje se v pravidelném intervalu a vytváří kvaziperiodické oscilace QPO.

Získaná data ukazují, že QPO oscilace objektu Swift J1644+57 se opakují s periodou 3,5 minuty. Z toho vyplývá, že zdroj záření se nachází ve vzdálenosti 4,0 až 9,3 miliónu km od středu černé díry. Přesná vzdálenost závisí na tom, jak rychle černá díra rotuje. Maximální vzdálenost tedy odpovídá šesti průměrům Slunce. Hmotnost černé díry byla určena na 0,45 až 5 miliónů hmotností Slunce.

„Informace o kvaziperiodických oscilacích nám poskytují údaje z oblasti velmi blízko okraje černé díry, která je ovlivňována relativistickými efekty, jež se stávají nanejvýš extrémními,“ říká Reis. „Schopnost nahlédnout do těchto procesů na tak velkou vzdálenost je vskutku obdivuhodný výsledek dávající velký příslib do budoucna.“

Zdroj: http://www.nasa.gov/mission_pages/swift/bursts/shredded-star.html

autor: František Martinek