Observatoř XRISM odhaluje skryté struktury černých děr a supernov

Na obrázku vlevo je umělecké ztvárnění centrální aktivní oblasti (aktivního galaktického jádra, AGN) galaxie NGC 4151, která obsahuje supermasivní černou díru. Modrá oblast uprostřed znázorňuje akreční disk nejblíže k černé díře, který vyvrhuje materiál. Dále se nachází bouřlivá oblast, kterou astronomové nazývají „oblast širokých linií“, a ještě dále je zobrazen torus ve tvaru koblihy.

Observatoř XRISM (X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission) odhalila strukturu, pohyb a teplotu materiálu v okolí supermasivní černé díry a v pozůstatku supernovy v dosud nevídaných detailech. Vesmírný dalekohled XRISM osvětlil složitou dynamiku nebeských jevů, jako jsou supernovy a černé díry tím, že odhalil teplotu, rychlost a trojrozměrnou strukturu jejich okolního materiálu. Pozoruhodně byl studován pozůstatek po supernově N132D ve Velkém Magellanově mračnu a supermasivní černá díra v galaxii NGC 4151, což nabídlo dosud nevídané podrobnosti o jejich vnitřních pohybech a strukturách.

Vesmírné jevy a první objevy družice XRISM
Co mají společného gigantická černá díra a pozůstatky masivní explodované hvězdy? V obou případech se jedná o dramatické vesmírné jevy, při nichž extrémně horký plyn produkuje vysoce energetické rentgenové záření, které může pozorovat rentgenová zobrazovací a spektroskopická mise XRISM.

Mise XRISM, kterou vede Japonská agentura pro výzkum vesmíru (JAXA) za účasti Evropské kosmické agentury (ESA), ve svých prvních zveřejněných výsledcích ukazuje své jedinečné schopnosti odhalit rychlost a teplotu syčícího horkého plynu, tzv. plazmatu, a trojrozměrné struktury materiálu obklopujícího černou díru a explodovanou hvězdu.

„Tato nová pozorování poskytují zásadní informace pro pochopení toho, jak černé díry rostou zachycováním okolní hmoty, a nabízejí nový pohled na život a smrt masivních hvězd. Ukazují výjimečné schopnosti mise při zkoumání vysokoenergetického vesmíru,“ říká vědecký pracovník projektu XRISM Matteo Guainazzi z ESA.

Poznatky o pozůstatku po supernově N132D
V jednom ze svých „prvních světelných“ pozorování se observatoř XRISM zaměřila na pozůstatek supernovy N132D, který se nachází ve Velkém Magellanově mračnu, asi 160 000 světelných let od Země. Tato mezihvězdná „bublina“ horkého plynu byla vyvržena explozí velmi hmotné hvězdy přibližně před 3 000 lety.

Pomocí přístroje Resolve odhalila mise XRISM podrobnou strukturu kolem N132D. Oproti předchozím předpokladům o jednoduché kulové slupce vědci zjistili, že pozůstatek N132D má tvar koblihy. Pomocí Dopplerova jevu změřili rychlost, kterou se horké plazma v pozůstatku pohybuje směrem k nám nebo od nás, a zjistili, že se rozpíná zdánlivou rychlostí přibližně 1200 km/s.

Přístroj Resolve také odhalil, že pozůstatek obsahuje železo, které má mimořádnou teplotu 10 miliard stupňů. Atomy železa se během exploze supernovy zahřály díky prudkým rázovým vlnám šířícím se dovnitř, což je jev, který byl teoreticky předpovězen, ale nikdy předtím nebyl pozorován.

Pozůstatky po explozích supernov, jako je N132D, obsahují důležité informace o tom, jak se vyvíjejí hvězdy a jak vznikají (těžké) prvky, které jsou nezbytné pro náš život, jako je železo, a jak se šíří v mezihvězdném prostoru. Dosavadní rentgenové observatoře však měly vždy potíže s odhalením toho, jak je rozložena rychlost a teplota plazmatu.

Na přiloženém snímku je pozorování pozůstatku po explozi supernovy N132D rentgenovým teleskopem XRISM agentury JAXA. Tato supernova je výsledkem hvězdné exploze, která se odehrála přibližně před 3 000 lety ve Velkém Magellanově mračnu, 160 000 světelných let od Země. V horní části snímku je pozůstatek supernovy zobrazen v rentgenovém světle. Žlutý kroužek znázorňuje oblast, kde přístroj XRISM Resolve naměřil extrémně horké železo (10 miliard stupňů Kelvina). Růžová čára znázorňuje okraj pozůstatku, kde tlaková vlna interaguje s mezihvězdným prostředím a horký plyn (plazma) je chladnější (přibližně 10 milionů stupňů).

Spektrum ukazuje mnoho chemických prvků, které jsou v N132D přítomny. XRISM dokáže identifikovat jednotlivé prvky měřením energie rentgenového fotonu specifické pro různé atomy. Označení „keV“ na ose x grafu označuje kiloelektronvolty, což je jednotka energie. Energetické rozlišení přístroje XRISM, tj. jeho schopnost rozlišovat rentgenové záření s různými vlnovými délkami, je průlomové. Díky třicetinásobnému rozlišení oproti svým předchůdcům umožňují pokročilé spektroskopické schopnosti přístroje XRISM vědcům měřit pohyb a teplotu horkého plazmatu s dosud nevídanou přesností.

Odhalení tajemství supermasivní černé díry
XRISM také vrhl nové světlo na záhadnou strukturu obklopující supermasivní černou díru. Pozorování se zaměřila na spirální galaxii NGC 4151, která se nachází 62 milionů světelných let od nás, a nabídla bezprecedentní pohled na materiál v těsné blízkosti centrální černé díry galaxie, jejíž hmotnost je 30 milionkrát větší než hmotnost Slunce.

Rentgenový teleskop XRISM agentury JAXA zachytil rozložení hmoty padající do supermasivní černé díry v galaxii NGC 4151 v širokém okruhu od 0,001 do 0,1 světelného roku, tedy od vzdálenosti srovnatelné se vzdáleností Slunce-Uran až po stonásobek této vzdálenosti. Určením rychlosti atomů železa z jejich rentgenové signatury vědci zmapovali sled struktur obklopujících centrální „monstrum“: disk nejblíže k černé díře (modře), kde se plyn pohybuje rychlostí několika procent rychlosti světla, následovaný přechodnou oblastí, kde se plyn pohybuje rychlostí tisíců km/s a kterou astronomové nazývají „oblast širokých linií (BLR)“ (oranžově), a nakonec torus ve tvaru koblihy (červeně).

Určením pohybů atomů železa na základě jejich rentgenové signatury vědci zmapovali sled struktur obklopujících obří černou díru: od disku „živícího“ černou díru až po torus ve tvaru koblihy. Tato zjištění představují důležitý kousek skládačky pro pochopení toho, jak černé díry rostou tím, že pohlcují okolní hmotu.

Přestože rádiová a infračervená pozorování odhalila přítomnost torusu ve tvaru koblihy kolem černých děr v jiných galaxiích, spektroskopická technika XRISM je prvním a v současnosti jediným způsobem, jak sledovat, jak se plyn v blízkosti centrálního „monstra“ utváří a pohybuje.

Budoucí pozorování a objevy
V posledních měsících vědecký tým XRISM pilně pracoval na stanovení výkonnosti přístrojů a zdokonalování metod analýzy dat při pozorování 60 klíčových cílů. Současně bylo z více než 300 návrhů od vědců z celého světa vybráno 104 nových sad pozorování.

XRISM bude v příštím roce provádět pozorování na základě úspěšných návrhů; díky výjimečnému výkonu na oběžné dráze, který předčil i původní očekávání, je příslibem mnoha dalších zajímavých objevů.

O observatoři XRISM
Mise X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) odstartovala 7. září 2023. Jedná se o spolupráci mezi Japonskou agenturou pro výzkum vesmíru (JAXA) a NASA za významné účasti ESA. Výměnou za poskytnutí hardwaru a vědeckého poradenství je ESA přiděleno 8 % dostupného pozorovacího času mise XRISM.

Zdroj: https://scitechdaily.com/xrisms-x-ray-insights-uncover-the-hidden-structures-of-black-holes-and-supernovas/

autor: František Martinek