Astronomové upírají pozornost k možné srážce černých děr, říká Jiří Svoboda

Černé díry patří mezi nejzáhadnější a nejzajímavější objekty ve vesmíru – křiví světlo i čas, z jejich středu se nedostane ven vůbec nic, ani gravitační vlna. Seznamuje nás s nimi seriál NEZkreslená věda. Garantem dílu o černých dírách je Jiří Svoboda z Astronomického ústavu AV ČR, kterému jsme položili několik dotazů.

Časopis Science nedávno publikoval studii astronomů, která předpokládá srážku dvou obřích černých děr. Jaká je podle Vás pravděpodobnost, že k události dojde a vědci ji vůbec poprvé budou mít možnost pozorovat?

Podle autorů studie jsou v galaxii vzdálené 1,2 miliardy světelných let od Země dvě superhmotné černé díry, které se k sobě přibližují. V pozorované galaxii docházelo v posledních třech letech k periodickému zjasňování a zeslabování záření. Nejpozoruhodnějším faktem je, že se perioda během této doby zkrátila z jednoho roku na měsíc. To by odpovídalo tomu, že se může jednat o systém dvou černých děr, které se k sobě přibližují. Pokud by se to potvrdilo, vědci by srážku děr očekávali již za sto až tři sta dnů. Pokud by se jednalo o srážku dvou černých děr, moment jejich splynutí by zřejmě doprovázelo velké zjasnění. Zatím pozorování naznačují, že navzdory zkracování periody zjasnění spíše slábnou. Je otázkou, jestli to není v rozporu s hypotézou srážky černých děr.

Jaké jsou pro tento jev alternativní hypotézy? 

Třeba že do černé díry dopadá hvězda, v tomto případě ale nebývá měnící se perioda zjasňování tak rychlá jako v galaxii, kde se střet očekává. Mohlo by jít o nestability v akrečním disku, tedy disku hmoty, která se na černou díru nabaluje. Případně by se mohlo jednat o jevy blízké takzvaným kvaziperiodickým erupcím, které jsme objevili relativně nedávno. Při nich dochází k nečekaným zjasněním, které se po nějaké době opakují. Jak ale název kvazi napovídá, nejedná se o periodická zjasňování. Vysvětlením tedy není pravidelný pohyb dvou těles. U žádných z těchto procesů však neočekáváme periodické chování se zmenšující se periodou. Přestože tedy nemůžeme potvrdit, zda-li v tomto případě jde skutečně o srážku dvou superhmotných černých děr, jeví se pozorovaná událost jako jedinečná.

Zvedla zmiňovaná zpráva zájem o galaxii, ve které by ke srážce mohlo dojít?

Ano, spouští se další observační kampaně. Právě proto také autoři zveřejnili ještě nerecenzovanou zprávu. Chtěli včas informovat vědeckou komunitu a také nalákat kolegy, aby se na daný objekt zaměřili různými teleskopy a detailně jej studovali. Další pozorování naznačí, jak moc jedinečný tento zdroj je a k čemu tam dochází.

Jiří Svoboda z Astronomického ústavu AV ČR (CC)

Jaké možnosti k pozorování tak vzdálené galaxie mají astronomové k dispozici?

Autoři studie zkoumali záblesky na různých vlnových délkách jak v běžném světle pomocí pozemských teleskopů, tak i v infračervené a rentgenové oblasti kosmickými družicemi. Rentgenová družice SWIFT, která zdroj pozorovala každý druhý den v období od konce listopadu do konce roku, pomohla zpřesnit odhad, kdy by mělo dojít k finální srážce. Pro tuto družici je nyní zdroj nepozorovatelný, protože se galaxie promítá na obloze relativně blízko Slunce. Převzít štafetu ale mohou jiné družice, které jsou méně citlivé na blízkost zorného pole ke Slunci. Nicméně i SWIFT se k objektu určitě opět vrátí – za těch sto až tři sta dnů Země urazí velký kus na své oběžné dráze kolem Slunce a zase se prostor otevře.

Co se dá očekávat, pokud by ke srážce došlo?

Mohlo by nastat výrazné zjasnění napříč celým elektromagnetickým spektrem, tedy od rádiové oblasti přes infračervenou, viditelnou ultrafialovou, rentgenovou až po gama záření. Nezářily by samozřejmě samotné černé díry, ale hmota, která kolem nich obíhá a velké množství uvolněné energie by se jistě projevilo zářením, rázovými vlnami vedoucími k sekundárnímu záření a podobně. Pravděpodobně by to také způsobilo vyslání energetických částic. Třeba projekt IceCube na Antarktidě by mohl detekovat spršku neutrin. Jde o energetické částice, které se pohybují prakticky rychlostí světla, mají nulovou nebo velmi malou hmotnost a díky tomu mohou být natolik urychleny, aby dorazily jen s minimálním zpožděním oproti záření.

Vzhledem ke vzdálenosti galaxie by ke srážce došlo před více jak jednou miliardou let. Může tento fakt pozorování nějak ovlivnit?

To vůbec nevadí. My se o srážce nemůžeme dovědět dřív, než k nám dorazí světlo. Ani gravitační vlny by nepřišly dřív, i ty se šíří rychlostí světla. Proto stále můžeme hovořit, že bychom takovou událost, pokud by skutečně nastala, sledovali v přímém přenosu a ne zpětně po miliardě let. 

Co se týče budoucnosti výzkumu superhmotných černých děr, hodně nadějí se vkládá do projektu LISA – první plánované vesmírné observatoři na detekci gravitačních vln.

LISA bude na pozorování srážek superhmotných černých děr tím nejlepším nástrojem. Kdybychom ji měli už dnes, mohli bychom z výše zmíněného zdroje gravitační vlny detekovat. Pozemské gravitační observatoře jsou vůči takto těžkým černým dírám slepé. Mají krátká ramena, a proto zachytí srážky hvězdných hmotností. Jen ve vesmíru je možné sestavit detektor, který může pozorovat gravitační vlny ze splynutí superhmotných černých děr. Očekáváme, že LISA pak objeví několik takových událostí. K jejímu vypuštění však nedojde dřív než v roce 2034.

Mají astronomové dostatek informací, aby mohli potvrdit případnou srážku i bez dat z observatoře LISA?

Pokud by zjasnění bylo hodně, ale opravdu hodně výrazné, tak by hypotéza srážky dvou černých děr byla nejpravděpodobnější z toho, co známe. LISA by to ale mohla jednoznačně potvrdit, protože signál gravitačních vln by byl zcela průkazný. Pozorovaná událost jen dokládá, jak bude LISA užitečná. Navíc s ní dohlédneme mnohem dál a srážek černých děr zachytíme mnohem více. LISA by nám tak měla dát odpověď na otázku, jestli dochází ke srážkám častěji, jak naznačují výzkumy, nebo budeme svědky jen velmi vzácných událostí.

Předpokládám, že se i Vaše pozornost bude ubírat ke zmíněné galaxii.

Určitě, a vzhledem k tomu, že jsme s kolegy součástí týmu projektu gravitační observatoře LISA, srážka superhmotných černých děr by nás samozřejmě těšila. Byla by první vlaštovkou a důkazem, že se máme s misí LISA na co těšit.

Černé díry studujete patnáct let. Který z objevů byl pro Vás zásadní, fascinoval Vás?

Určitě se mezi takové objevy řadí detekce gravitačních vln z roku 2015. Cítil jsem, že jde o zlom, kdy se otevírá zcela nový obor astronomie a další možnosti výzkumu černých děr. Fantastickým byl pro mě také první snímek černé díry z galaxie Messier 87 vzdálené 55 milionů světelných let. K jeho pořízení vědci propojili devět radioteleskopů z celé planety v jediný virtuální dalekohled. Zajásal jsem, že se podařilo něco skutečně unikátního a převratného.

Snímek černé díry z galaxie Messier 87

Zmiňovaný snímek obletěl svět v roce 2019. Uvidíme někdy černou díru také z naší galaxie?

Původně vědci předpokládali, že se první snímek podaří právě v naší galaxii. Jenže nebylo možné docílit takového kontrastu, aby byla její silueta tak jasně vidět. Naše černá díra je totiž neaktivní, záření vycházející z hmoty padající do černé díry je relativně slabé a navíc velmi proměnlivé, což může způsobovat snižování kontrastu, snímek by byl rozmazaný. Také má hmotnost asi čtyři miliony hmot Sluncí a její velikost je jen o něco větší, než je rozměr našeho Slunce. Oproti tomu černá díra v galaxii M87 váží šest miliard hmot Sluncí a je velká jako celá sluneční soustava. Přestože je mnohem dále než naše, její úhlový rozměr je jen o trochu menší než úhlový rozměr černé díry v centru naší galaxie. Věřím ale, že se jednou dočkáme i jejího kontrastního snímku. Už se například uvažuje o zapojení více teleskopů a dalšího vylepšení pozorovací techniky.

Na motivy seriálu vznikla také kniha. Psali jsme o ní v článku: NEZkreslená věda vychází v tištěné podobě. Poznání je zábava, říkají autoři

Text: Zuzana Šprinclová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR, NASA

Text a fotografie označené CC jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• V Praze odstartovala největší mezinárodní konference o materiálovém modelování
• Z čeho se skládá kosmické záření? Napoví přelomová metoda českého fyzika
• Tuk je možné vydolovat i z tisíce let staré keramiky, říká Veronika Brychová
• Svérázná říše umělé inteligence. Máme se jako lidstvo bát, nebo být nadšení?
• Přelomové datování. První lidé přišli do Evropy už před 1,4 milionu let
• Přitažlivá nepřitažlivost. Vědci experimentálně potvrdili novou formu magnetismu
• Krása neviditelného krystalu. Jak se zkoumá skrytý svět atomů a molekul
• Planetky neboli asteroidy: jak pomáhají vědcům při dobývání a výzkumu vesmíru
• Nová krystalografická metoda pomůže ve vývoji léků i rychlejších počítačů
• Dva bratři Jungwirthové, dva prestižní evropské granty ve výši 120 milionů korun