Dva nové výzkumné práce nám umožňují přiblížit se horizontu událostí a obrazovým událostem v oblasti nejbližších stabilních drah k černé díře. Autoři obou studií se zabývají periodickými emisemi, ke kterým dochází, když černá hmota začne absorbovat novou hmotu.
Černé díry samy absorbují veškeré světlo mimo horizont události a prostor mimo horizont události obvykle takové světlo emituje ve velkém množství. Důvodem je skutečnost, že hmota spadající do černé díry má obrovský energetický náboj. Ztrácí točivý moment a narazí do jiné hmoty na oběžné dráze kolem černé díry. Ačkoli nemůžeme získat obraz černé díry přímo, můžeme vyvodit některé závěry o jejích vlastnostech pomocí světla z prostředí, které vytváří.
Tento týden byly publikovány dva výzkumné práce, které nám umožňují přiblížit se k prostoru blízko horizontu událostí a vytvářet obrazy událostí v regionu, kde se nacházejí stabilní oběžné dráhy nejblíže k černé díře. Autoři jednoho z těchto článků dospěli k následujícímu závěru: supermasivní černá díra se otáčí tak rychle, že bod na jeho povrchu se pohybuje rychlostí rovnající se přibližně polovině rychlosti světla.
Záře ozvěny
Autoři obou studií se zabývají periodickými emisemi, ke kterým dochází, když černá hmota začne absorbovat novou hmotu. Tato látka je směrována do díry prostřednictvím ploché struktury se středem v černé díře. Tato struktura se nazývá akreční disk. Jakmile se objeví nová záležitost, disk se zahřeje a černá díra bude jasnější. Z tohoto důvodu dochází v okolním prostoru ke změnám. Autoři obou studií hledají odpověď na otázku, co nám tyto změny mohou říct o černé díře a prostoru v jejím okolí.
V jednom z těchto článků je pozornost vědců zaměřena na černou díru s hvězdnou hmotou, což je desetinásobek hmotnosti Slunce. V reakci na vniknutí hmoty jedna z těchto hvězd vytvořila přechodnou událost nazvanou MAXI J1820 + 070. Název dostal od nástroje MAXI na ISS, který je určen k provádění astronomických pozorování v rentgenové oblasti. Po objevení této události bylo možné provést nová pozorování pomocí zařízení ISS zvaného NICER, které zkoumá vnitřní složení neutronových hvězd. Toto zařízení dokáže velmi rychle měřit rentgenové záření vyzařované astronomickými zdroji, což vám umožní účinně sledovat krátkodobé změny v objektu.
V tomto případě byl přístroj NICER použit k analýze „světelné echo“. Jde o to, že kromě akrečního disku mají černé díry koronu, což je bublina energeticky nabité hmoty umístěná nad a pod rovinou disku. Tato korona sama emituje rentgenové paprsky, které lze detekovat pomocí nástrojů. Tyto rentgenové paprsky však zasáhly také akreční disk a některé z nich se odrážejí naším směrem. Taková lehká ozvěna nám může sdělit některé podrobnosti o akrečním disku.
Propagační video:
Řešení záhady
V tomto případě světelná ozvěna pomohla vyřešit hádanku. Snímky pořízené z černých děr ve středu galaxií naznačují, že akreční disk se rozšířil po nejbližší stabilní oběžné dráze k černé díře. Měření černých děr ve hvězdné hmotnosti však ukazují, že okraje akrečního disku jsou mnohem dále. Protože fyzikální vlastnosti se s velikostí pravděpodobně nemění, tato měření vědce poněkud zmatili.
Nová analýza ukazuje, že v rentgenovém záření MAXI J1820 + 070 existují jak proměnné, tak konstantní vlastnosti. Konstantní vlastnosti ukazují, že akreční disk vytvářející ozvěnu nemění své umístění vůbec. A proměnné vlastnosti naznačují, že když černá díra pohltí hmotu, její korona se stane kompaktnější, a proto je zdroj rentgenového záření přemístěn. Podrobnosti o konstantním signálu ukazují, že akreční disk je mnohem blíže černé díře. Díky tomu nová měření plně souhlasí s tím, co víme o superdenzních verzích černých děr.
Smrt hvězdy
Na superdenzním území je objekt ASASSN-14li, objevený při automatickém průzkumu supernov. Tento objekt měl vlastnosti, které se běžně vyskytují v případě zvané přílivové narušení. Během takové události černá díra silou své gravitace roztrhne hvězdu, která je k ní příliš blízko. Následující pozorování však ukázalo, že tento signál má poněkud podivnou strukturu. Každých 130 sekund se na krátkou dobu roztrhla.
Tento signál se příliš nelišil od pozadí, proti kterému došlo ke zničení hvězdy, ale byl detekován třemi různými nástroji, což naznačuje, že se něco pravidelně děje. Nejjednodušší vysvětlení je, že část hvězdy upadla na oběžnou dráhu kolem černé díry. Četnost těchto drah závisí na hmotnosti a rychlosti otáčení černé díry, jakož i na vzdálenosti mezi černou dírou a předmětem obíhajícím kolem ní. Jinými způsoby je obtížné měřit rotaci černé díry, a proto vědci mnohokrát reprodukují simulace a testují různé konfigurace systému černé díry.
Hmotnost černé díry se určuje na základě velikosti galaxie, ve které je umístěna. Existuje jednoduchý vztah mezi rychlostí otáčení a orbitální vzdáleností: čím blíže je něco k černé díře, tím pomalejší se černá díra otáčí, takže se objekt pohybuje stejnou rychlostí na oběžné dráze. Díky výpočtu nejbližší možné oběžné dráhy tak vědci dokázali určit minimální hodnotu rychlosti otáčení.
Provedené výpočty ukazují, že černá díra se otáčí alespoň takovou rychlostí, že bod na jeho povrchu se pohybuje rychlostí poloviční rychlostí světla. (Chcete-li získat úplnější představu, mělo by se říci, že superdense černé díry mohou být tak velké, že mají stejný poloměr jako oběžná dráha Saturn nebo Neptun.) Pokud hmota obíhá trochu dále od středu, pak i černá díra urychluje jeho rotaci.
Dosud nemůžeme získat obrázky černých děr přímo, ale studie ukázaly, že se v nich vyskytuje mnoho událostí, které nám mohou poskytnout spoustu údajů o jejich chování ve vesmíru. A to nám umožňuje učinit určité závěry o vlastnostech samotných černých děr a také o záležitosti čekající v křídlech, aby se do nich dostaly. Začínáme také získávat informace z pozorování gravitačních vln, které nám dávají představu o množství a rotaci kolizí černých děr. Dohromady tato data odstraní halo temnoty z černých děr a už pro nás nejsou prozkoumávaným územím.
John Timmer