Webb a Chandra –⁠ nejstarší supermasivní černá díra

Webbův dalekohled už si za svou krátkou dobu činnosti připsal mnoho pozoruhodných objevů. Od nesmírně zajímavých spekter exoplanet přes zajímavé informace o Sluneční soustavě a hvězdách v naší Galaxii až po zkoumání vzdálenějšího vesmíru. Už se například podařilo pozorovat zajímavé gravitační čočky ve vzdálenostech miliard světelných let, extrémně vzdálené, ba dokonce rekordní galaxie či mimořádně vzdálené kvasary. Dnes se však podíváme na neobvyklé pozorování jedné černé díry, kterou JWST pozoroval společně s rentgenovým teleskopem Chandra, jenž už létá v kosmickém prostoru téměř čtvrt století a za tu dobu má na kontě stovky význačných objevů. Zmíněné pozorování černé díry patří mezi ně, neboť se jedná o rekordně vzdálenou supermasivní černou díru.

Černé díry

O černých dírách i supermasivních černých dírách už jsem napsal pro náš web samostatné články. Teď si tedy jen stručně řekněme, že černé díry jsou objekty s natolik silným gravitačním polem, že je nemůže opustit nic, ani světlo ne. Proto, abyste se dostali z úrovně pod jistou hranicí, kterou nazýváme jako horizont událostí, byste totiž potřebovali letět rychleji než je rychlost světla ve vakuu, což není v principu fyzikálně možné. Nebo chcete-li, černé díry silně deformují prostoročas. Co je v jejich nitru z těchto důvodů dosud spolehlivě nevíme, na to bychom potřebovali pokročilejší fyzikální teorie.

Existenci černých děr předpověděli teoreticky už fyzikové, kteří pracovali na řešení polních rovnic obecné teorie relativity, současné teorie gravitace, kterou v roce 1915 publikoval Albert Einstein. Dlouho však na jejich existenci nikdo nevěřil. Nicméně v 60. letech britský matematický fyzik Roger Penrose zjistil, že černé díry nejen, že se mohou tvořit, ale jejich existence přímo a nezbytně vyplývá z platnosti obecné relativity. První černá díra Cygnus X-1 byla následně pozorována v 70. letech a od té doby jsme poznali a prozkoumali celou řadu černých děr.

O těchto objektech jsme již zjistili spoustu věcí, například to, že se pravidla, která pro ně platí v mnohém podobají termodynamice. Přišli jsme rovněž na to, že tyto objekty mají pouze tři vlastnosti – elektrický náboj, hmotnost a moment hybnosti. Elektrický náboj je navíc často nulový, reálné černé díry se tak většinou spíše vyznačují pouhými dvěma vlastnostmi. Přitom právě hmotnost slouží ke kategorizaci černých děr do několika základních skupiny. Jde o primordiální černé díry, dále hvězdné černé díry, černé díry středních hmotností a supermasivní černé díry.

Hvězdné černé díry jsme objevili jako první, vznikají z mohutných hvězd na konci života a jejich hmotnost se pohybuje v řádu jednotek až desítek hmot Slunce, později jsme nalezli i supermasivní černé díry jejich mechanismus vzniku není dodnes zela objasněn a které mají většinou hmotnost v řádu stovek tisíců až miliard hmot Slunce. Nedávno se nám podařilo najít i dlouho předpovídanou kategorii středních černých děr, které vykazují hmotnost v řádu stovek až desetitisíců hmot Slunce. A co primordiální černé díry? Ty by měly být nejmenší, jejich hmotnost se v závislosti na daném modelu liší, víme však, že by mohly vznikat v bouřlivých procesech raného vesmíru. Dosud je však nikdo neviděl a nevíme, zda v reálu opravdu existují.

Velký pokrok přineslo toto desetiletí, kdy se díky detektorům gravitačních vln podařilo napozorovat bezprecedentní množství černých děr, navíc se povedlo najít černé díry dříve neviděných rozměrů stovek hmotnosti Slunce a vidět srážky dvojic černých děr, popřípadě srážky černých děr s neutronovými hvězdami. Kromě toho se odborníkům z kolaborace Event Horizon Telescope povedlo pořídit pomocí soustavy radioteleskopů snímek dvou supermasivních černých děr. První z nich M87* se nachází v jádru obří eliptické galaxie M87 v kupě galaxií v Panně a má hmotnost asi 6,5 miliardy hmot Slunce. Druhá Sagittarius A* leží přímo v srdci Mléčné dráhy a disponuje hmotností asi 4,3 miliony hmot Slunce.

Supermasivní černé díry

Největší typ černých děr je trochu příběh sám pro sebe. Jedná se o jedny z největších objektů ve vesmíru, známe černé díry o hmotnostech desítek miliard hmot Slunce, ta rekordní potvrzená má 66 miliard hmot Slunce, možná existuje ovšem i jiná s hmotností 100 miliard hmot Slunce. Tyto černé díry navíc často pohánějí aktivní galaktická jádra, která pak disponují obrovskými energiemi, takže je možné je spatřit na obrovské vzdálenosti miliard světelných let, neboť suverénně přezáří všechno ve svém okolí.

Víme toho hodně, stále však zůstává mnoho otevřených problémů. Stále kupříkladu neznáme přesný mechanismus jímž supermasivní černé díry vznikají. Představitelný je třeba kolaps velkých anizotropií hmoty ve velmi raném vesmíru, popřípadě extrémně hmotných hvězd, které se také mohly v mladém vesmíru vyskytnout. Nejvíce uznávaný je však model pozvolného narůstání, když původně hvězdná černá díra nabírá hmotnost požíráním okolního materiálu, popřípadě srážkami s jinými černými dírami. Je-li toto vysvětlení správné, nemohly existovat supermasivní černé díry v kosmu krátce po Velkém třesku, ale jejich růst musel trvat miliony, možná dokonce spíše desítky až stovky milionů let. Kdy se tedy první supermasivní černé díry objevily? To dosud spolehlivě nevíme.

Nová data

Leccos nicméně může napovědět nový výzkum, který provedly společně rentgenová observatoř Chandra a Webbův kosmický dalekohled. Zatímco Chandra byla vypuštěna v roce 1999 při jednom z letu raketoplánů a patří mezi nejdéle fungující kosmické observatoře současnosti, Webbův dalekohled bude za pár dní slavit teprve své druhé narozeniny v kosmickém prostoru. Obě observatoře jsou ale špičkou svého oboru a jejich spojení pro tento konkrétní výzkum bylo velmi výhodné, jelikož Chandra mohla spatřit to, co by JWST nemohl a naopak.

Oba teleskopy společně provedly v loňském roce pozorování při němž objevily dosud nejstarší známou supermasivní černou díru. Její vzdálenost je 13,2 miliardy světelných let a existovala ve vesmíru starém jen asi 470 milionů roků. To se nám může zdát být hodně, je to například výrazně delší doba než po jakou Zemi obývali dinosauři, z hlediska relace ke stáří vesmíru je to ale zanedbatelné číslo.

Už to samo o sobě je fascinující, ale vědci odhalili též další zajímavý fakt. Ona černá díra má totiž hmotnost asi 40 milionů hmot Slunce, tedy desetkrát více než Sagittarius A* v centru Mléčné dráhy. A to přitom naše černá díra měla o více než deset miliard let více na svůj růst. Musíme si navíc uvědomit, že v té době byly galaxie mnohem menší. Tato černá díra tak má hmotnost odpovídající asi 10-100 procentům hmotnosti hvězd celé své galaxie. Přesněji to bohužel zatím určit neumíme. Zato však víme jistě, že současné supermasivní černé díry, včetně té naší, zabírají jen asi 0,1 % hmotnosti hvězd své domovské galaxie. Tedy nepoměr obou hodnot je velmi výrazný.

Takto velkou černou díru v tak mladém vesmíru astronomové vskutku nečekali. Je tedy otázka jak mohla takto rychle tak hmotná černá díra vzniknout. Zatím je vcelku logicky příliš brzy na nějaké jasné soudy, vědci se však domnívají, že černá díra v tomto případě mohla vzniknout kolapsem obřích mračen plynu. Následně došlo ke sloučení její mateřské galaxie s jinou galaxií, čímž získala černá díra výrazný prostor pro růst. Observatoř Chandra dokázala pozorovat v rentgenovém spektru plyn, který se pohybuje v akrečním disku kolem černé díry, je gravitačně přitahován stále blíže horizontu událostí, tím se urychluje, zahřívá a vydává rentgenové záření.

Tato konkrétní černá díra je výzkumníky považována za kvasar. Okolí černé díry je totiž velmi jasné, takže jádro galaxie je zjevně aktivní, navíc černá díra roste. Ale to stále ještě není všechno, milý Horste. Webbův teleskop totiž dokázala dost možná pozorovat ještě další černou díru, která je dokonce ještě o 30 milionů let starší, než výše zmiňovaná supermasivní černá díra. Tu ovšem zatím astronomové nespatřili v rentgenovém spektru a nemohou proto potvrdit, že se skutečně jedná o to, co si myslí. Pozorování v rentgenové části spektra je totiž dobrým indikátorem pravosti měření.

Odborníci se domnívají, že jde dost možná o první střípek z mnohem rozlehlejší mozaiky. Lze totiž očekávat, že už brzy začneme objevovat více takovýchto černých děr. Možná, že ne až tak vzdálených, ale v každém případě takových, jež leží velmi daleko od nás. Částečně to odstartoval už velký výzkumný program CEERS v jehož rámci se podařilo najít několik supermasivních černých děr vzdálených téměř 13 miliard světelných let.

Tyto objevy umožňuje to stále lepší pozorování gravitačních čoček. Přesně tohoto postupu totiž využily Chandra a JWST. Díky tomu si mohly dobře prohlédnout oblast vesmíru v souhvězdí Sochaře, kde se nalézá galaxie UHZ1, mateřská galaxie výše popsané supermasivní černé díry. Jako čočka zde posloužila kupa galaxií vzdálená 3,2 miliardy světelných let. Máme tedy štěstí, že byl k dispozici vhodný objekt, který nám mohl obraz vzdálenější galaxie zvětšit, jinak bychom takto vzdálenou, byť aktivní, černou díru vidět nemohli.

Závěr

Supermasivní černá díra v galaxii UHZ1 je nejvzdálenější známou černou dírou jakéhokoliv typu. Současně se vymyká všem dosavadním představám. Vzhledem k vyspělé technice však můžeme očekávat další podobná pozorování již ve velmi blízké době. Současně musíme ocenit obě observatoře za tak úžasné výkony. Od Webbova teleskopu se podobné věci očekávaly, což však nijak neumenšuje jeho zásluhy. Nicméně to, že Chandra po více než dvaceti letech činnosti dokáže stále takto skvěle pracovat je obdivuhodné. Doufejme, že jí to ještě pár dalších let vydrží.

Použité a doporučené zdroje

• ESA Webb: https://esawebb.org/
• NASA Web: https://webb.nasa.gov/
• Webb Telescope: https://webbtelescope.org/
• Chandra Harvard: https://chandra.harvard.edu/
• Chandra NASA: https://www.nasa.gov/mission/chandra-x-ray-observatory/

Zdroje obrázků

• https://www.syfy.com/sites/syfy/files/styles/scale_960_no_scale/public/wire/legacy/black_hole_accretion_disk.jpg
• https://ichef.bbci.co.uk/news/976/cpsprodpb/12726/production/_114785557_h4160015-professor_roger_penrose.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/98/Black_hole_Cygnus_X-1.jpg
• https://www.ligo.org/detections/O3bcatalog/files/gwmerger-poster-white-md.jpg
• https://www.sciencenews.org/wp-content/uploads/2021/03/032321_mt_black-hole-magnetism_feat.jpg
• https://www.reddit.com/media?url=https%3A%2F%2Fi.redd.it%2Fec2zs1qoeei71.jpg
• https://astrobiology.nasa.gov/uploads/filer_public_thumbnails/filer_public/e8/fc/e8fc19cf-3783-4c7c-b6c6-2d756448ced3/chandra_hero.jpg__1240x510_q85_crop_subject_location-620%2C254_subsampling-2.jpg
• https://pbs.twimg.com/media/FImOHg8XEAMpIYp?format=jpg&name=4096×4096
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d8/Uhz1_%28black_hole%29.jpg
• https://chandra.harvard.edu/photo/2023/uhz1/uhz1_illus_525.jpg