19. marec – Medzinárodný deň astronómie.
Čierne diery patria medzi najzáhadnejšie a najzaujímavejšie objekty vo vesmíre – krivia svetlo i čas, z ich stredu sa nedostane von vôbec nič, ani gravitačná vlna. Zoznamuje nás s nimi seriál NESkreslená veda. Garantom dielu o čiernych dierach je Jiří Svoboda z Astronomického ústavu AV ČR, ktorému sme položili niekoľko otázok.
Časopis Science nedávno publikoval štúdiu astronómov, ktorá predpokladá zrážku dvoch obrích čiernych dier. Aká je podľa vás pravdepodobnosť, že k udalosti dôjde a vedci ju vôbec po prvý raz budú môcť pozorovať?
„Podľa autorov štúdie sú v galaxii vzdialenej 1,2 miliardy svetelných rokov od Zeme dve superhmotné čierne diery, ktoré sa k sebe približujú. V pozorovanej galaxii dochádzalo v ostatných troch rokoch k periodickému zjasňovaniu a zoslabovaniu žiarenia. Najpozoruhodnejším faktom je, že sa perióda počas tejto doby skrátila z jedného roku na mesiac. To by zodpovedalo tomu, že môže ísť o systém dvoch čiernych dier, ktoré sa k sobe približujú. Pokiaľ by sa to potvrdilo, vedci by zrážku dier očakávali už za sto až tristo dní. Pokiaľ by išlo o zrážku dvoch čiernych dier, moment ich splynutia by zrejme sprevádzalo veľké zjasnenie. Zatiaľ pozorovania naznačujú, že navzdory skracovaniu periódy zjasnenia skôr slabnú. Je otázkou, či to nie je v rozpore s hypotézou zrážky čiernych dier.“
Aké sú pre tento jav alternatívne hypotézy?
„Dajme tomu, že do čiernej diery dopadá hviezda, v tomto prípade ale nie je meniaca sa perióda zjasňovania tak rýchla ako v galaxii, kde sa stret očakáva. Mohlo by ísť o nestability v akrečnom disku, teda disku hmoty, ktorá sa na čiernu dieru nabaľuje. Prípadne by mohlo ísť o javy blízke takzvaným kváziperiódickym erupciám, ktoré sme objavili relatívne nedávno. Pri nich dochádza k nečakaným zjasneniam, ktoré sa po nejakej dobe opakujú. Ako ale názov kvázi napovedá, nejde o periodické zjasňovanie. Vysvetlením teda nie je pravidelný pohyb dvoch telies. Pri žiadnych z týchto procesov však neočakávame periodické správanie sa zmenšujúcou sa periódou. Aj keď teda nemôžeme potvrdiť, či v tomto prípade ide skutočne o zrážku dvoch superhmotných čiernych dier, javí sa pozorovaná udalosť ako jedinečná.“
Zdvihla spomenutá správa záujem o galaxiu, v ktorej by k zrážke mohlo dôjsť?
„Áno, spúšťa sa ďalšia observačná kampaň. Práve preto tiež autori uverejnili ešte nerecenzovanú správu. Chceli včas informovať vedeckú komunitu, a tiež nalákať kolegov, aby sa na daný objekt zamerali rôznymi teleskopmi a detailne ho študovali. Ďalšie pozorovania naznačia, ako veľmi jedinečný tento zdroj je a k čomu tam dochádza.“
Aké možnosti k pozorovaniu tak vzdialenej galaxie majú astronómovia k dispozícii?
„Autori štúdie skúmali záblesky na rôznych vlnových dĺžkach ako v bežnom svetle pomocou pozemských teleskopov, tak i v infračervenej a röntgenovej oblasti kozmickými družicami. Röntgenová družica SWIFT, ktorá zdroj pozorovala každý druhý deň v období od konca novembra do konca roku, pomohla upresniť odhad, kedy by malo dôjsť k finálnej zrážke. Pre túto družicu je teraz zdroj nepozorovateľný, pretože sa galaxia premieta na oblohe relatívne blízko Slnka. Prevziať štafetu ale môžu iné družice, ktoré sú menej citlivé na blízkosť zorného poľa k Slnku. Avšak i SWIFT sa k objektu určite opäť vráti – za tých sto až tristo dní Zem urazí veľký kus na svojej obežnej dráhe okolo Slnka a zasa sa priestor otvorí.“
Čo sa dá očakávať, ak by k zrážke došlo?
„Mohlo by nastať výrazné zjasnenie naprieč celým elektromagnetickým spektrom, teda od rádiovej oblasti cez infračervenú, viditeľnú ultrafialovú, röntgenovú až po gama žiarenie. Nežiarili by samozrejme samotné čierne diery, ale hmota, ktorá okolo nich obieha a veľké množstvo uvoľnenej energie by sa iste prejavilo žiarením, nárazovými vlnami vedúcimi k sekundárnemu žiareniu a podobne. Pravdepodobne by to tiež spôsobilo vyslanie energetických častíc. Napríklad projekt IceCube na Antarktíde by mohol detegovať spŕšku neutrín. Ide o energetické častice, ktoré sa pohybujú prakticky rýchlosťou svetla, majú nulovú alebo veľmi malú hmotnosť a vďaka tomu môžu byť natoľko urýchlené, aby dorazili len s minimálnym oneskorením oproti žiareniu.“
Vzhľadom k vzdialenosti galaxie by k zrážke došlo pred viac ako jednou miliardou rokov. Môže tento fakt pozorovanie nejako ovplyvniť?
„To vôbec nevadí. My sa o zrážke nemôžeme dozvedieť skôr, než k nám dorazí svetlo. Ani gravitačné vlny by neprišli skôr, i tie sa šíria rýchlosťou svetla. Preto stále môžeme hovoriť, že by sme takú udalosť, pokiaľ by skutočne nastala, sledovali v priamom prenose, a nie spätne po miliarde rokov.“
Čo sa týke budúcnosti výskumu superhmotných čiernych dier, veľa nadeje sa vkladá do projektu LISA – prvého plánovaného vesmírneho observatória na detekciu gravitačných vĺn.
„LISA bude na pozorovanie zrážok superhmotných čiernych dier tým najlepším nástrojom. Keby sme ju mali už dnes, mohli by sme z vyššie spomenutého zdroja gravitačné vlny detegovať. Pozemské gravitačné observatória sú voči takto ťažkým čiernym dieram slepé. Majú krátke ramená, a preto zachytia zrážky hviezdnych hmotností. Len vo vesmíre je možné zostrojiť detektor, ktorý môže pozorovať gravitačné vlny zo splynutia superhmotných čiernych dier. Očakávame, že LISA potom objaví niekoľko takých udalostí. K jej vypusteniu však nedôjde skôr než v roku 2034.“
Majú astronómovia dostatok informácií, aby mohli potvrdiť prípadnú zrážku i bez dát z observatória LISA?
„Pokiaľ by zjasnenie bolo veľmi, ale naozaj veľmi výrazné, tak by hypotéza zrážky dvoch čiernych dier bola najpravdepodobnejšia z toho, čo poznáme. LISA by to ale mohla jednoznačne potvrdiť, pretože signál gravitačných vĺn by bol úplne preukázateľný. Pozorovaná udalosť len dokladá, ako bude LISA užitočná. Navyše s ňou dohliadneme omnoho ďalej a zrážok čiernych dier zachytíme omnoho viac. LISA by nám tak mala dať odpoveď na otázku, či dochádza k zrážkam častejšie, ako naznačujú výskumy, alebo budeme svedkami len veľmi vzácnych udalostí.“
Predpokladám, že sa i vaša pozornosť bude uberať k spomenutej galaxii.
„Určite, a vzhľadom k tomu, že sme s kolegami súčasťou tímu projektu gravitačného observatória LISA, zrážka superhmotných čiernych dier by nás samozrejme tešila. Bola by prvou lastovičkou a dôkazom, že sa máme s misiou LISA na čo tešiť.“
Čierne diery študujete pätnásť rokov. Ktorý z objavov bol pre vás zásadný, fascinoval vás?
„Určite medzi také objavy patrí detekcia gravitačných vĺn z roku 2015. Cítil som, že ide o zlom, kedy sa otvára celkom nový odbor astronómie a ďalšie možnosti výskumu čiernych dier. Fantastickým bol pre mňa tiež prvá snímka čiernej diery z galaxie Messier 87 vzdialenej 55 miliónov svetelných rokov. K jeho vytvoreniu vedci prepojili deväť rádioteleskopov z celej planéty v jediný virtuálny ďalekohľad. Zajasal som, že sa podarilo niečo skutočne unikátne a prevratné.“
Spomenutá snímka obletela svet v roku 2019. Uvidíme niekedy čiernu dieru tiež z našej galaxie?
„Pôvodne vedci predpokladali, že sa prvá snímka podarí práve v našej galaxii. Lenže nebolo možné docieliť taký kontrast, aby bolo jej siluetu tak jasne vidieť. Naša čierna diera je totiž neaktívna, žiarenie vychádzajúce z hmoty padajúce do čiernej diery je relatívne slabé a navyše veľmi premenlivé, čo môže spôsobovať znižovanie kontrastu, snímka by bola rozmazaná. Tiež má hmotnosť asi štyri milióny hmôt sĺnk a jej veľkosť je len o niečo väčší, než je rozmer nášho Slnka. Oproti tomu čierne diera v galaxii M87 váži šesť miliárd hmôt sĺnk a je veľká ako celá slnečná sústava. Aj keď je omnoho ďalej než naša, jej uhlový rozmer je len o trochu menší než uhlový rozmer čiernej diery v centre našej galaxie. Verím ale, že sa raz dočkáme i jej kontrastnej snímky. Už sa napríklad uvažuje o zapojení viacerých teleskopov a ďalšieho vylepšovania pozorovacej techniky.“
Na motívy seriálu vznikla tiež kniha. Písali sme o nej v článku: NESkreslená veda vychádza v tlačenej podobe. Poznanie je zábava, hovoria autori.
Text: Zuzana Šprinclová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR.
Foto: Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR, NASA.
Pôvodný článok: Astronomové upírají pozornost k možné srážce černých děr, říká Jiří Svoboda, 6. 3. 2022.