Objekt X7 - první pozorování interakce hvězdné obálky s okolím supermasivní černé díry

Změna morfologie obálky je zde patrná téměř v reálném čase a svědčí o tom, že dochází k její rychlé deformaci, prodlužování vlivem slapových sil černé díry. Přední část obálky se od hvězdy postupně odděluje a přibližuje se směrem k centru. Lze očekávat, že plyn se spirálovitým pohybem postupně přiblíží až těsně k černé díře a přispěje ke zvýšené akreční aktivitě v (astronomicky) blízké budoucnosti.

Astronomové Michal Zajaček a Vladimír Karas vysvětlují podstatu objevu

Pozorování probíhají v infračerveném spektrálním oboru, protože infračervené paprsky (na rozdíl od viditelného světla) dokážou proniknout pracho-plynným mezihvězdným prostředím galaktického středu, takže je lze zaznamenat a využít k pozorování s pomocí velkých pozemských teleskopů. Infračervený zdroj označovaný v katalozích jako X7 se v projekci nachází na jižní hvězdné obloze ve vzdálenosti pouhých 40 světelných dnů od kompaktního rádiového zdroje Sagittarius A* (Sgr A*). Na snímcích pořízených na vlnové délce 3,8 mikronů je vidět kometární útvar o velikosti přibližně 1000 astronomických jednotek (viz obr. 1). Již v jedné ze starších prací z roku 2010 od autorky K. Mužič et al. autoři interpretují původ kometárního tvaru jako důsledek nadzvukového pohybu hvězdy. Při něm dochází ke vzniku dvou rázových vln, kdy jedna postupuje okolním prostředím a druhá se tvoří v nadzvukovém hvězdném větru blízko hvězdy. V rázové vlně je hustota plynu a prachu větší než v okolním prostředí, což se projeví zjasněním na infračervených snímcích. Rázová vlna má tvar oblouku v důsledku kinetického tlaku hvězdného větru, a proto se také označuje jako oblouková rázová vlna (bow-shock).

Elementární teorie nadzvukového pohybu a pojem Machova čísla jsou spojeny s fyzikem a filozofem Ernstem Machem (1838–1916), který působil v Praze jako přednosta Fyzikálního ústavu a rektor německé Karlo-Ferdinandovy univerzity. Věnoval se mimo jiné vlastnostem nadzvukového pohybu střel a mezi lety 1873–1893 vyvinul fotografickou techniku k zaznamenání vznikajících rázových vln pomocí elektrického výboje při náhlém propojení obvodu střelou (obr. 2). Následně v roce 1887 zavedl důležitou charakteristiku nadzvukového pohybu – poměr rychlosti objektu k rychlosti zvuku v okolním prostředí, v dnešních učebnicích fyziky známý jako Machovo číslo. Převrácená hodnota Machova čísla je rovna sinu úhlu Machova kužele, který se rozevírá v okolí tělesa pohybujícího se nadzvukovou rychlostí a je také zobrazen na plaketě připomínající působení Ernsta Macha v Praze.

V blízkosti Galaktického centra se nachází skupina obloukových rázových vln, jejichž vznik souvisí s blízkými hvězdami. X7 má z nich nejblíž k horizontu černé díry a v projekci se jeví vzdálen jen asi 0,8 obloukové vteřiny, což odpovídá 32 miliparsekům, resp. 38 světelným dnům (1'' = 0.04 pc při vzdálenosti Galaktického centra 8 kpc). Zajímavostí v případě X7 a X3 je skutečnost, že osa symetrie rázové vlny není orientovaná ve směru vlastního pohybu těchto útvarů, jak bychom očekávali v případě stacionárního okolního prostředí. Obloukové rázové vlny jsou namísto toho natočeny směrem k obří černé díře, což znamená, že z tohoto úhlu proudí výtok plynu rychlostí přesahující 1000 km/s (viz obr. 1).

Původcem rychlého výtoku hmoty pochopitelně není sama černá díra, nýbrž se patrně jedná o kolektivní proud částic pocházejících od horkých hvězd přítomných ve velmi husté nukleární hvězdokupě. Jako alternativu však nemůžeme vyloučit ani působení výtrysku (jetu) vycházejícího přímo ze Sgr A*. Ten by mohl mít velmi nízkou zářivost, takže je obtížné ho zaznamenat, a mohl by být generován na účet rotace černé díry. Domněnku o interakci hvězd tvořících rázové vlny X3 a X7 s výtryskem podporuje i studie amerického astrofyzika F. Yusef-Zadeha z Northwestern University. Obr. 3 ilustruje geometrickou situaci v jádru Galaxie. Podle ní se v oblasti nachází soustava řady filamentů a rázových vln, které svědčí o interakci hvězd a plynu s bipolárními kolimovanými výtrysky podobnými těm, jaké známe u aktivních galaxií.

Autoři práce zveřejněné v letošním březnovém vydání The Astrophysical Journal (Peisker et al., ApJ, 909, 62) zkoumají pohyb a postupnou změnu velikosti a morfologie rázové vlny X7 za posledních 20 let. Během tohoto období se objekt podle očekávání pohyboval směrem na sever po eliptické trajektorii kolem Sgr A*. Za stejný čas se však obálka prodloužila asi čtyřikrát, z 1000 na 4000 astronomických jednotek (viz obr. 4). Tyto změny jsou vidět na snímcích pořízených v infračerveném kontinuu, jakož i v emisní čáře vodíku Br-gamma v okolí vlnové délky 2,16 mikronu. Chronologická posloupnost snímků navíc nasvědčuje tomu, že přední část obálky se postupně odděluje od svého zdroje, jímž je hvězda S50.

Na působivém videu je patrný postupný vývoj X7 od roku 2002 až do současnosti. Rázová vlna je orientována ve směru spojnice se Sgr A*, což naznačuje, že zdroj interaguje s plazmovým výtryskem:

Postupné prodlužování je známkou intenzivního gravitačního slapového působení centrální černé díry. Hvězdná pracho-plynná obálka se postupně vymaňuje ze sféry vlivu hvězdy a odděluje se od ní. Nelze vyloučit, že její přední část se bude postupně po spirále blížit k Sgr A*, což by byla jedinečná a vzácná příležitost sledovat pád hmoty do černé díry. K potvrzení dalšího vývoje však bude v blízké budoucnosti nutné provést sled pozorování.

Kontakt:

Prof. RNDr. Vladimír Karas, DrSc., vladimir.karas@cuni.cz

RNDr. Michal Zajaček, PhD., zajacek@asu.cas.cz

Autorský kolektiv nové studie je velice mezinárodní a sestává z astronomů na 1. ústavu fyziky při univerzitě v německém Cologne, Centra teoretické fyziky Polské Akademie věd ve Varšavě, Astronomického ústavu AV ČR v Praze, Ústavu Maxe Plancka pro radioastronomii v Bonnu, Pařížské observatoře v Meudonu a Univerzity v rakouském Innsbrucku. První z autorů, dr. Florian Peissker, pořídil pozorovací data na observatoři Paranal v Chile. Na jejich analýze pracoval v německém Cologne a během četných návštěv Prahy. Z Astronomického ústavu AV ČR se na analýze podílel prof. Vladimír Karas, vedoucí skupiny relativistické astrofyziky a jeho dlouholetý spolupracovník dr. Michal Zajaček, v současnosti postdoktorský pracovník v Polské AV. Věnuje se studiu obloukových rázových vln v Galaktickém centru už od dob své diplomové práce, kterou vyhotovil pod vedením prof. Karase v roce 2014.

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Odkaz na odborný článek publikovaný v The Astrophysical Journal

Převzato: Astronomický ústav AV ČR