Černé díry v centrech galaxií: Supermasivní monstra z dávných časů (1.)

Černé díry na nás vykukují z rovnic Einsteinovy teorie obecné relativity, a přesto jsou tajuplné, extrémní, a možná i strašidelné. Asi jen málokdo by si přál, aby se nám někde za humny zhroutila gigantická hvězda, v jejíchž vnitřnostech by vznikla černá díra hvězdné velikosti. Podle toho, co víme, by nešlo o právě příjemného souseda. Ve vesmíru však existují i černé díry, ve srovnání s nimiž představuje zhroucená hvězda naprosto titěrnou gravitační anomálii. A jejich název to jasně dokládá. Řeč je o supermasivních černých dírách. Nevíme o nich mnoho, ale jsou naprosto… fascinující. 

Impozantní giganti

Supermasivní černé díry jsou vážně impozantní. Nelze je sice pozorovat přímo a jejich rozměry nepatří ve vesmírné lize k nijak omračujícím, ovšem jejich hmotnost stojí za to – jedná se o statisíce, miliony, a někdy i miliardy Sluncí. V porovnání s černými dírami hvězdných velikostí vykazují překvapivě nízkou hustotu, pokud za hustotu považujeme jejich hmotu vydělenou objemem uvnitř Schwarzschildova poloměru, tedy poloměru nerotující černé díry. Supermasivní černé díry mají v takovém případě nižší hustotu než voda.

Dále je zajímavé, že slapové síly na horizontu událostí supermasivní černé díry jsou kupodivu mnohem slabší než u černé díry hvězdné velikosti. Ve skutečnosti by prý průzkumník na horizontu supermasivní černé díry o hmotnosti deseti milionů Sluncí pociťoval zhruba totéž jako na povrchu Země. Slapové síly by ho rozervaly až hluboko v nitru vesmírného obra. 

Jak zvážit černou díru?

Pravdou zůstává, že pokud jde o samotnou jejich hmotu, víme o zmíněných objektech jen velmi málo. Zatím jsme složitě odhadli hmotnost pouhých několika desítek supermasivních černých děr. Potíž tkví hlavně v tom, že se nacházejí poměrně daleko. Donedávna jsme je „vážili“ pozorováním pohybu okolních hvězd, případně ionizovaného plynu. Zmíněná metoda nejlépe funguje v eliptických a čočkových galaxiích a také u velmi vzácných objektů s přirozeným, astrofyzikálním maserem (masery zesilují mikrovlny pomocí stimulované emise záření).

Tim Davis a jeho kolegové nedávno navrhli, jak by bylo možné elegantně zjistit hmotnost mnohem většího počtu supermasivních černých děr z okolních galaxií za výrazně kratší dobu. Trik spočívá ve sledování pohybu oxidu uhelnatého v oblacích vodíku. Vědci dokázali odvodit hmotnost gigantických objektů z hybnosti obíhajícího plynu. Názorně to předvedli na supermasivní černé díře, jejíž přítomnost předpokládáme v útrobách oblíbené a relativně blízké čočkové galaxie NGC 4526 ze souhvězdí Panny ve vzdálenosti asi 55 milionů světelných let. Její hmotnost astrofyzici nakonec odhadli přibližně na 450 milionů Sluncí. Davisovu metodu lze použít i pro spirální galaxie; umožňuje změřit supermasivní černé díry v galaxiích s významným množstvím galaktického plynu, do vzdálenosti zhruba 250 milionů světelných let.

Rentgenové spektrum a rotace 

V případě horkokrevných supermasivních černých děr v nitru aktivních galaxií můžeme jejich vlastnosti odvozovat z emisí rentgenového záření. Guido Risaliti a jeho tým nedávno s pomocí moderních observatoří NuSTAR (NASA) a XMM-Newton (ESA) získali velmi kvalitní rentgenová spektra záření z centra oslnivě aktivní spirální galaxie s příčkou NGC 1365 ze souhvězdí Pece, vzdálené asi 56 milionů světelných let. 

Supermasivní černé díry obklopuje akreční disk hmoty, která kolem giganta rotuje zběsilou rychlostí. Z Einsteinových teorií vyplývá, že čím rychleji černá díra rotuje, tím těsněji ji její akreční disk obtáčí. A čím blíž k černé díře se akreční disk nachází, tím více gravitace ohýbá rentgenové záření, jež obří objekt vyzařuje do okolního vesmíru. Risalitiho tým použil získaná rentgenová spektra k vůbec prvnímu určení rychlosti zmíněné rotace. Dospěli k závěru, že dotyčná supermasivní černá díra o hmotnosti kolem dvou milionů Sluncí se pohybuje tak rychle, jak jí to jen Einsteinovy rovnice dovolí – tedy téměř rychlostí světla.

Vesmírní rekordmani

Jednoznačné doklady vyplývající z pohybu hvězd a galaktického plynu máme sice jen o hrstce supermasivních černých děr, postupně však vychází najevo, že se nacházejí v nitru prakticky každé galaxie a zásadním způsobem ji ovlivňují. Svou zdrcující gravitací ji v podstatě drží pohromadě. Zdá se, že černý gigant obvykle odpovídá asi 1 ‰ hmotnosti galaxie, v níž sídlí. Najdou se ovšem i extrémní případy: Ve skromném souhvězdí Rysa se ve vzdálenosti 12 miliard světelných let vyjímá neuvěřitelná eliptická galaxie APM 08279+5255, jež má mimo jiné ve svém středu supermasivní černou díru o hmotnosti 23 miliard Sluncí, která se většinou považuje za nejhmotnější známý objekt svého druhu ve vesmíru.

V poměrně malé čočkové galaxii NGC 1277 vzdálené 220 milionů světelných let odhalili astronomové v roce 2012 supermasivní černou díru o hmotnosti 17 miliard Sluncí, což odpovídalo 14 % veškeré hmoty galaxie. Nicméně se zřejmě jednalo omyl – zmíněný objekt dosahuje „pouze“ třetinové hmotnosti, přesto jde samozřejmě o omračující hodnotu. Na druhé místo se tak řadí supermasivní černá díra v nitru eliptické galaxie NGC 4889 ze souhvězdí Vlasy Bereniky ve vzdálenosti 300 milionů světelných let. Její hmota se nejčastěji odhaduje na 21 miliard Sluncí, a někdy i na výstředních 37 miliard. Mimořádná je rovněž supermasivní černá díra v centrální galaxii kupy Fénix ve stejnojmenném souhvězdí. Podle našich pozorování totiž nezřízeně roste: zvětšuje se o ekvivalent 60 Sluncí ročně, což vyvolává otázky, kdy se zastaví. 

Naopak asi nejmenší známá supermasivní černá díra se nachází ve vzdálenosti 55 milionů světelných let v galaxii NGC 4178 z kupy v Panně. Jde o poměrně zvláštní spirální galaxii bez galaktické výdutě a vědci se dlouho domnívali, že centrálního giganta postrádá. Rentgenová a rádiová pozorování však v roce 2012 potvrdila, že v jejím nitru přece jen supermasivní černá díra sídlí, pouze dosahuje velmi skromných rozměrů – její hmota odpovídá zhruba 200 tisícům Sluncí. 

Pokračování příště