Černá díra rotuje téměř rychlostí světla

Černá díra je objekt s tak velkou hustotou a silnou gravitací, že od ní nemůže nic uniknout ani světlo. V naší Mléčné dráze (Galaxii) se jich nacházejí milióny, ale většinu z nich není možné objevit.

Hvězda, jejíž hmotnost je alespoň 10krát větší než našeho Slunce, po vyhoření paliva vybuchne jako supernova. Vnější vrstvy hvězdy jsou odhozeny do okolního vesmíru, zatímco jádro hvězdy se hroutí. Pokud je dostatečně hmotné, nic nemůže tento proces zastavit a jádro se stává hustším a hustším, menším a menším. Hroutící se objekt si zachovává rotaci původní hvězdy. Nakonec se všechna hmota zhroutí do "jediného bodu nekonečné hustoty" - rotující černé díry.

Sférická hranice kolem černé díry, ze které není úniku, se nazývá horizont událostí. Poloměr (vzdálenost od horizontu událostí do středu černé díry) je jen 10 až 50 km. Veškerá hmota i záření, které horizont událostí překročí, "spadne" do černé díry a nikdy se už nevrátí zpět.

Černé díry jsou samozřejmě všude ve vesmíru; vědci mají mnoho důkazů o jejich existenci, i když je nemohou přímo vidět.

McClintock a Narayan (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge) studovali známý dvojhvězdný systém GRS 1915+105 v souhvězdí Orla (Aquila). Systém, který je tvořený černou dírou a "normální" hvězdou, leží ve vzdálenosti asi 35.000 sv.l. od Země. Samotná černá díra je neviditelná, ale výjimečně lze pozorovat přetékající hmotu.

Hmota z "normální" hvězdy, přitahována gravitací, přetéká směrem k černé díře. Do černé díry nepadá přímo, ale po spirále a vytváří kolem ní "zásobárnu" rotujícího plynu - akreční disk.

Plyn v akrečním disku se zahřívá a září v širokém spektru vlnových délek. Vnitřní část akrečního disku (nejblíže k černé díře) září zejména jasně v rentgenu. Ale ne všechny černé díry jsou ve dvojhvězdných systémech, kdy je společník prozradí. Izolované černé díry je velmi obtížné objevit.

Vědecký tým, jehož členy jsou i Rebecca Shafeeová a McClintockovo (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge), se zaměřili na akreční disk GRS 1915+105 a využili i data z americké rentgenové družice RXTE (Rossi X-ray timing explorer, start 30. prosince 1995).

Astronomové se soustředili především na vnitřní okraj tohoto disku, oblast nazvanou nejvnitřnější stabilní kruhová dráha. Tato oblast je u GRS 1915+105 ve vzdálenosti asi 30 km od středu černé díry. Na nejvnitřnější stabilní kruhové dráze může hmota po určitou dobu obíhat kolem černé díry aniž by do ní spadla. Ale stačí jakýkoliv podnět a okamžitě (méně než za milisekundu) padá za horizont událostí a "umírá".

Vzdálenost od nejvnitřnější stabilní kruhová dráhy ke středu černé díry závisí na rotaci černé díry. Čím rotuje rychleji, tím menší může být poloměr poslední "bezpečné" dráhy. To vychází z Einsteinovy obecné teorie relativity.
Schéma je vytvořeno na základě dat z kosmických observatoří Chandra a XMM-Newton. Sledovány byly nerotující černá díra Cygnus X-1 (souhvězdí Labutě) a rychle rotující černé díry XTE J1650-500 a GX 339-4 (souhvězdí Oltář, Ara). Credit: NASA/NASA/CXC/M.Weiss; Spectra: NASA/CXC/SAO/J.Miller et al.

McClintock a Narayan poprvé přesně změřili právě tuto vzdálenost od nejvnitřnější stabilní kruhové dráhy ke středu černé díry. Měření je založené na spektrální analýze rentgenového záření. Využili jednoduché skutečnosti - čím černá díra rotuje rychleji, tím je poloměr událostí menší; a současně hmota, která se dostává stále blíž k černé díře je stále jasnější a jasnější (zahřívá se). Všechny informace - jasnost, teplota, rychlost - jsou zakódovány v rentgenovém záření.

Z pozemních optických a rádiových pozorování vědci mohli určit hmotnost černé díry, úhel roviny akrečního disku vzhledem k nám a její vzdálenost od Země. Ze všech těchto změřených údajů zjistili rychlost rotace černé díry.

"Rychlost rotace černé díry, kterou jsme změřili, je rychlost jakou rotuje nebo je strháván prostoročas přímo na horizontu událostí," řekl Rameshi Narayan.

Hmotnost pozorované černé díry je asi 14 hmotností Slunce. Pokud by vůbec nerotovala, tak podle Einsteinových rovnic je poloměr událostí 42 km, při maximální rotaci 21 km. Skutečná hodnota je někde mezi (25 km).

Na horizontu událostí se černá díra otáčí 950krát za sekundu. Plyn zde překonává dráhu 157 km (obvod poslední stabilní dráhy) rychlostí 149.000 km/s (50% rychlosti světla). Podle teorie je maximální možná rychlost rotace černé díry 1.150 otáček za sekundu (v podstatě rychlost světla). To znamená, že pozorovaná černá díra rotuje na 98 %.

Tým plánuje stejnou metodou změřit rotace u řady černých děr v podobných systémech. Mělo by to velké důsledky pro astrofyziku, pro pochopení takových jevů jako jsou výtrysky u černé díry, gama záblesky nebo gravitační vlny.

Obrázek: Akreční disk u černé díry.
Pokud bude černá díra rotovat rychleji, bude se zmenšovat poloměr "bezpečné" oběžné dráhy. Credit: NASA/GSFC
Animace naleznete na adrese:
http://www.nasa.gov/vision/universe/starsgalaxies/spinning_blackhole_prt.htm

Zdroj: www.nasa.gov a chandra.harvard.edu
Převzato: Hvězdárna Valašské Meziříčí