Astronomové v posledních týdnech oznámili objevy dvou extrémních černých děr. Nejprve se jim podařilo nalézt černou díru s hmotností galaxie a před pár dny objevili tu vůbec nejmenší. Otevřela se jim tím i další cesta k otestování Einsteinovy obecné teorie relativity.

Monstrózní propast v časoprostoru

Astronomové potvrdili, že nalezli doposud největší černou díru ve vesmíru ― je hmotná jako 18 miliard Sluncí. Krouží kolem ní ještě jedna menší, díky níž vědci mohli podrobit dalšímu testu obecnou teorii relativity, kterou v roce 1915 zformuloval Albert Einstein. Pozorovaný systém je skvělou astrofyzikální laboratoří z toho důvodu, že se pyšní daleko silnějším gravitačním polem, než s jakými se astronomové mohou běžně ve vesmíru setkávat.

Nově nalezená černá díra je asi šestkrát hmotnější než dosavadní držitelka rekordu ukrytá v centru eliptické galaxie M 87 v souhvězdí Panny (snímky níže). Závratná hmotnost 18 miliard Sluncí vlastně odpovídá hmotě nashromážděné v jedné malé galaxii. Nemusíme se však bát, že by toto monstrum mohlo ohrozit Zemi ― leží totiž v srdci kvasaru označovaného jako OJ287, kterého od nás dělí vzdálenost 3,5 miliardy světelných let.

Tento kvasar ale neobsahuje pouze jedinou černou díru, nýbrž dvě. Právě měření pohybu menší z nich vědcům dovolilo „zvážit“ nadmutou partnerku. Ani menší černá díra není žádný trpaslík, její hmotnost činí asi 100 milionů Sluncí a svou větší společnici oběhne jednou za 12 let. Jak to u obřích černých děr bývá, velká černá díra je obklopena tzv. akrečním diskem tvořeným nashromážděnou hmotou, která do díry padá po spirále smrti. Během jednoho oběhu se menší černá díra díky velice výstředné dráze dvakrát dostane do blízkosti obří společnice a protne její akreční disk ― tím dojde k záblesku, a celý objekt OJ287 se náhle zjasní.

Kresba systému OJ287

Z obecné teorie relativity vyplývá, že dráha menší černé díry by se postupem doby měla stáčet ― to je velice známý jev i z naší sluneční soustavy a proslavený u planety Merkur (stáčení jeho dráhy nebyla stará Newtonova teorie gravitace s to zcela objasnit, kdežto svého času čerstvá Einsteinova teorie ano). Tento jev se projeví tak, že bod, ve kterém se malá černá díra nachází od své větší partnerky nejblíže, se časem posouvá ― nezůstává na stejném místě, ale putuje prostorem.

Obří eliptická galaxie M87 v souhvězdí Panny, jak ji zobrazil teleskop ve viditelném světle (1), níže je záběr z Hubbleova vesmírného teleskopu z roku 1994 na její jádro (2). Patrný je mohutný výtrysk hmoty ze srdce galaxie. Zvětšenina centrální oblasti (3) ukazuje zřetelně i akreční disk kolem supermasivní černé díry, donedávna té vůbec největší, jakou astronomové znali.

Gravitační pole obří černé díry je nesrovnatelně silnější než gravitační pole našeho Slunce: proto i míra precese dráhy malé černé díry je mnohem větší než u dráhy Merkuru. Zatímco jeho perihelium (onen bod nejblíže Slunci) se stáčí celkově o asi 1,6 stupně za století (z čehož gravitační deformace prostoru způsobuje precesi jen o 43“), v případě černé díry tento úhel činí celých 39 stupňů ― ovšem nikoliv za sto let, ale za dobu jednoho oběhu, za 12 let! V důsledku takto silné precese se mění i to, kde a kdy malá černá díra narazí do disku.

Do poloviny ledna vědci zaznamenali něco kolem tuctu zjasnění (nebo chcete-li záblesků), jejichž analýzou vědecký tým vedený Maurim Valtonenem z finské Tuoriovy observatoře našel zmíněnou míru precese. Získali tím i dobu oběhu malé díry a také určili hmotnost velké černé díry. Výpočty ukázaly právě výše zmíněných 18 miliard Sluncí, což je požehnané číslo. Ostatní astronomové ale pochybují, že výsledek Valtonenova týmu je přesný. Například Tod Strohmayer z Goddardova centra pro vesmírné lety při NASA pro New Scientist řekl, že je potřeba více pozorování v delších časových intervalech. Potom bude i jasné, zda jejich „precesní model“ opravdu záblesky dobře popisuje.

Zkoumání páru černých děr rovněž pomohlo vědcům otestovat jinou předpověď obecné teorie relativity. A to, že černé díry by se k sobě po spirále měly přibližovat. Důvodem tohoto spirálového pohybu je skutečnost, že u systému dochází k vyzařování (takže ztrátě) energie v podobě gravitačních vln ― rozruchů v geometrii (časo)prostoru ―, které předpověděl už v roce 1916 Albert Einstein, ovšem jež se ještě stále nepodařilo přímo detekovat. Pokud tedy vyzářené gravitační vlny mění charakter pohybu černých děr, zákonitě se tím mění i čas srážky menší černé díry s diskem větší díry, a tedy je ovlivněn i čas doprovodného záblesku. Jeden z posledních záblesků nastal 13. září 2007, jak ovšem skvěle předpověděly výpočty. „Jestliže by se dráha nerozpadávala, k záblesku by došlo o dvacet dní později,“ řekl pro New Scientist Valtonen. Podle modelu obě díry splynou za asi deset tisíc let.

„Černoděrné“ škvrně

Když už astronomové našli „černoděrné monstrum“, slušelo by se doplnit inventář extrémních objektů i o černoděrného trpaslíka. Ten byl nalezen přednedávnem ― a srovnejte si to sami: zatímco obří černá díra, o níž píšeme výše, má hmotnost zhruba jako 18 miliard Sluncí, ta nejmenší nově nalezená je hmotná jako necelé čtyři naše Slunce (její hmotnost je přesněji 3,8násobkem hmotnosti naší mateřské hvězdy) a v průměru má pouhopouhých 24 kilometrů. To i menší společník díry v kvasaru OJ287 je pořád pořádným obrem ― vždyť jeho hmotnost je ekvivalentní 100 milionům Sluncí.

Nejmenší známá černá díra je součástí binárního systému označovaného jako XTE J1650-500, který od Země leží ve vzdálenosti zhruba 15 000 světelných let. Nejedná se jako u objektu OJ287 o systém složený ze dvou černých děr, ale v tomto případě je černá díra doprovázena obyčejnou, stále žijící hvězdou.

Ilustrace systému XTE J1650-500. Disk kolem černé díry je tvořen hmotou nasávanou z hvězdné sousedky. Autor: NASA/CXC/A Hoba

O existenci takových systémů se astronomové obyčejně dozvědí díky silnému záření, které pochází z vysoce zahřátého plynu padajícího do černé díry. Černá díra totiž ze svého hvězdného souputníka nasává hmotu, ta se k ní po spirále blíží, zahřívá se a mimo jiné vysílá silné rentgenové záření. To je často charakteristické tzv. kvaziperiodickými oscilacemi ve své intenzitě. Charakter těchto oscilací podle modelů souvisí s hmotností černých děr ― autoři nové studie, Nikolaj Šapošnikov a Lev Titarčuk z Goddardova centra pro vesmírné lety, už předtím tohoto vztahu využili k zjištění hmotností jiných černých děr, jejichž hmotnosti byly známy na základě jiných, standardních metod měření. Jak výpočty ukázaly, jejich alternativní metoda podává souhlasné výsledky s ostatními přístupy.

Šapošnikov a Titarčuk teď ke studiu kvaziperiodických oscilací v intenzitě rentgenového záření použili satelit RXTE a na základě výsledků určili hmotnost černé díry v binárním systému XTE J1650-500 na 3,8násobek hmotnosti Slunce s nejistotou půl hmotnosti Slunce. Druhou nejméně hmotnou černou dírou je GRO 1655-40 s hmotností 6,3 Sluncí, jež od nás leží ve vzdálenosti asi 10 500 světelných let.