Záblesk světla jasnější než bilion hvězd

Fermiho kosmický dalekohled registrující gama paprsky pozoruje vesmír pomocí formy světla s nejvyšší energií a poskytuje důležité okno do nejextrémnějších jevů vesmíru: od záblesků gama záření a výtrysků černých děr až po pulsary, zbytky supernov a původ kosmického záření.

Mezinárodní tým astronomů pozoroval druhou ze dvou supermasivních černých děr kroužících kolem sebe v aktivní galaxii OJ287. Vědci objevili dvě supermasivní černé díry obíhající kolem sebe v galaxii s označením OJ287. Předpovídané záblesky z černých děr byly jasně pozorovány, což potvrdilo hypotézu binárního systému. Poprvé byla sekundární černá díra přímo pozorována v letech 2021/2022 a byly detekovány nové typy vzplanutí. Tato zjištění zvýrazňují galaxii OJ287 jako hlavního kandidáta pro další studium gravitačních vln.

V centrech aktivních galaxií se nacházejí supermasivní černé díry, které mají hmotnost několik miliardkrát vyšší než u našeho Slunce. Astronomové je pozorují jako jasná galaktická jádra, kde superhmotná černá díra galaxie „požírá“ hmotu z prudkého víru zvaného akreční disk. Část hmoty je vytlačena do silného trysku. Tento proces způsobuje, že galaktické jádro jasně září v celém elektromagnetickém spektru.

V nedávné studii astronomové našli důkazy o dvou supermasivních černých dírách, které kolem sebe krouží, a to prostřednictvím signálů přicházejících z výtrysků spojených s narůstáním hmoty do obou černých děr. Galaxie nebo kvasar, jak se odborně nazývá, se jmenuje OJ287 a je nejdůkladněji prostudována a nejlépe pochopena jako binární systém černých děr. Na obloze jsou černé díry tak blízko u sebe, že splývají v jeden bod. Skutečnost, že se tečka ve skutečnosti skládá ze dvou černých děr, se projeví zjištěním, že vysílá dva různé typy signálů.

Aktivní galaxie OJ287 leží ve směru souhvězdí Raka, nachází se ve vzdálenosti asi 5 miliard světelných let a astronomové ji pozorují od roku 1888. Již před více než 40 lety astronom z univerzity v Turku Aimo Sillanpää a jeho spolupracovníci si všimli, že v jeho emisích je výrazný vzor, který má dva cykly; jeden asi 12 let a delší asi 55 let. Navrhli, že tyto dva cykly jsou výsledkem orbitálního pohybu dvou černých děr kolem sebe. Kratší cyklus je orbitální cyklus a delší je výsledkem pomalého vývoje orientace oběžné dráhy.

Orbitální pohyb je odhalen sérií záblesků, které vznikají, když sekundární černá díra pravidelně proniká přes akreční disk primární černé díry rychlostí, která je o zlomek nižší než rychlost světla. Toto ponoření sekundární černé díry ohřívá materiál disku a horký plyn se uvolňuje jako expandující bubliny. Těmto horkým bublinám trvá měsíce, než se ochladí, zatímco vyzařují a způsobí záblesk světla – záblesk, který trvá zhruba čtrnáct dní a je jasnější než bilion hvězd.

Po desetiletích úsilí o odhadování načasování průniku sekundární černé díry akrečním diskem astronomové z University of Turku ve Finsku pod vedením Mauriho Valtonena a jeho spolupracovníka Achamveedu Gopakumara z Tata Institute of Fundamental Research v Bombaji v Indii a další byli schopni modelovat oběžnou dráhu a přesně předpovídat, kdy k těmto vzplanutím dojde.

Úspěšné pozorovací kampaně v letech 1983, 1994, 1995, 2005, 2007, 2015 a 2019 umožnily týmu pozorovat předpovězené vzplanutí a potvrdit přítomnost supermasivního páru černých děr v galaxii OJ287. „Celkový počet předpovězených vzplanutí je nyní 26 a téměř všechny byly pozorovány. Větší černá díra v tomto páru má hmotnost více než 18 miliardkrát větší, než je hmotnost našeho Slunce, zatímco společník je zhruba 100krát lehčí a jeho dráha je eliptická, nikoli kruhová,“ říká profesor Achamveedu Gopakumar.

Navzdory tomuto úsilí astronomové nebyli schopni pozorovat přímý signál z menší černé díry. Před rokem 2021 byla jeho existence odvozována pouze nepřímo z erupcí a ze způsobu, jakým ovlivňuje výtrysk větší černé díry.

„Dvě černé díry jsou na obloze tak blízko u sebe, že je nelze vidět odděleně, v našich dalekohledech splývají do jednoho bodu. Pouze pokud vidíme jasně oddělené signály od každé černé díry, můžeme říci, že jsme je skutečně „viděli“ oba,“ říká hlavní autor, profesor Mauri Valtonen.

Poprvé přímo pozorována menší černá díra

Je vzrušující, že pozorovací kampaně v roce 2021/2022 při pozorování OJ287 využívající velké množství dalekohledů různých typů, umožnily výzkumníkům poprvé získat pozorování sekundární černé díry procházející akrečním diskem a signály pocházející z menší černé díry.

„Období v letech 2021/2022 mělo ve studii OJ287 zvláštní význam. Dříve se předpokládalo, že během tohoto období sekundární černá díra pronikne akrečním diskem svého masivnějšího společníka. Očekávalo se, že toto ponoření vyvolá velmi modrý záblesk hned po dopadu a skutečně ho během několika dní před předpokládaným časem pozorovali Martin Jelínek a kolegové z ČVUT a Astronomického ústavu ČR,“ říká profesor Mauri Valtonen.

Došlo však ke dvěma velkým překvapením – novým typům záblesků, které dosud nebyly detekovány. První z nich spatřila až podrobná pozorovací kampaň Staszka Zoly z Jagellonské univerzity v Krakově v Polsku, a to z dobrého důvodu. Zola a jeho tým pozorovali velkou erupci, která produkovala 100krát více světla než celá galaxie, a trvala jen jeden den.

„Podle odhadů došlo k erupci krátce poté, co menší černá díra dostala obrovskou dávku nového plynu, který mohla spolknout během svého průniku. Je to proces polykání, který vede k náhlému zjasnění OJ287. Předpokládá se, že tento proces posílil výtrysk, který vystřeluje z menší černé díry OJ287. Událost, jako je tato, byla předpovězena před deseti lety, ale dosud nebyla potvrzena,“ vysvětluje Valtonen.

Druhý neočekávaný signál pocházel z gama záření a byl pozorován teleskopem Fermi. K největšímu záblesku gama záření v OJ287 za posledních šest let došlo právě tehdy, když se menší černá díra ponořila skrz plynový disk primární černé díry. Výtrysk menší černé díry interaguje s plynem v disku a tato interakce vede k produkci gama záření. Aby tuto myšlenku potvrdili, vědci si ověřili, že k podobnému vzplanutí gama záření došlo již v roce 2013, kdy malá černá díra minule pronikla plynným diskem při pozorování ze stejného směru pohledu.

„Tak co ten jednodenní výbuch, proč jsme ho neviděli dříve? OJ287 je zaznamenáván na fotografiích od roku 1888 a intenzivně sledován od roku 1970. Ukazuje se, že jsme měli prostě smůlu. Nikdo nepozoroval OJ287 přesně v těch nocích, kdy došlo k jednodennímu výbuchu. A bez intenzivního sledování Zolovy skupiny bychom to minuli i tentokrát,“ konstatuje Valtonen.

Díky těmto snahám je OJ287 nejlepším kandidátem na supermasivní pár černých děr, který vysílá gravitační vlny v nanohertzových frekvencích. Galaxie OJ287 je dále rutinně monitorována jak dalekohledem Event Horizon Telescope (EHT), tak konsorciem Global mm-VLBI Array (GMVA), aby prozkoumaly další důkazy o přítomnosti supermasivního páru černých děr v jeho středu a zejména pokusil se získat rádiový snímek sekundárního výtrysku.

Zdroj: https://scitechdaily.com/flash-of-light-brighter-than-a-trillion-stars-leads-to-supermassive-black-hole-breakthrough/

autor: František Martinek