Podivné chování hvězdy prozradilo černou díru skrytou v nitru hvězdokupy

Kulové hvězdokupy (Globular star clusters) jsou mohutnými sférickými uskupeními desetitisíců hvězd a vyskytují se ve většině galaxií. Patří k nejstarším známým systémům hvězd ve vesmíru a jejich vznik je datován do samotných počátků vývoje galaxií. V současnosti je v naší Galaxii známo více než 150 kulových hvězdokup.

Jedna z nich, nesoucí označení NGC 3201 a na obloze ležící v jižním souhvězdí Plachty (Vela), byla nedávno zkoumána s použitím přístroje MUSE a dalekohledu ESO/VLT (Very Large Telescope) na observatoři Paranal v Chile. Mezinárodní vědecký tým objevil, že jedna z hvězd [1] v této hvězdokupě se chová poněkud neobvykle – s periodou 167 dní se pohybuje směrem k nám a od nás rychlostí několik stovek tisíc kilometrů za hodinu [2].

Vedoucí autor článku Benjamin Giesers (Georg-August-Universität Göttingen, Německo) byl chováním hvězdy opravdu zaskočen: „Hvězda obíhá kolem něčeho, co je naprosto neviditelné a co přitom musí vážit čtyřikrát více než Slunce – takže to může být jedině černá díra! První černá díra, která byla objevena v kulové hvězdokupě přímým pozorováním jejího gravitačního působení.“

Vztah mezi černými děrami (black holes) a kulovými hvězdokupami je důležitý, ale dosud obestřený tajemstvím. Vzhledem k hmotnosti a značnému stáří těchto hvězdokup se předpokládá, že se v nich vytvořilo značné množství černých děr hvězdné hmotnosti (stellar-mass black holes) – vznikaly během vývoje kupy následkem exploze a kolapsu v závěrečné fázi života hmotných hvězd [3], [4].

Přístroj MUSE astronomům dává unikátní možnost měřit pohyby tisíců vzdálených hvězd najednou. Tímto objevem se týmu poprvé podařilo v srdci kulové hvězdokupy detekovat přítomnost neaktivní černé díry – tedy takové, která v současnosti nepohlcuje žádnou hmotu a není proto obklopena zářícím diskem plynu. Na základě měření pohybu hvězdy, která krouží kolem černé díry zachycená její enormní gravitací, byli vědci schopni odhadnout hmotnost černé díry.

Na základě pozorovaných vlastností hvězdy vědci určili, že se jedná o stálici o hmotnosti asi 0,8 Slunce. Hmotnost druhé tajemné složky tohoto systému pak určili na 4,36 hmotností Slunce – téměř jistě se tedy jedná o černou díru [6].

Nedávná pozorování rádiových a rentgenových zdrojů v kulových hvězdokupách, stejně jako zachycení gravitačních vln vytvořených při sloučení dvou černých děr o hvězdné hmotnosti, naznačují, že tyto relativně malé černé díry mohou být v kulových hvězdokupách mnohem početnější, než se dříve myslelo.

Benjamin Giesers dodává: „Do nedávné doby se předpokládalo, že téměř všechny černé díry by se z kulových hvězdokup měly rychle vytratit. Systém, jako je tento, by v podstatě neměl existovat! To však zřejmě není pravda – naše pozorování je první přímou detekcí gravitačního působení černé díry hvězdné hmotnosti v kulové hvězdokupě. Tento objev pomůže pochopit proces formování kulových hvězdokup a vývoje černých děr v binárních systémech – což je velmi důležité především v kontextu chápání zdrojů gravitačních vln.“

Poznámky

[1] Objevená hvězda je hvězdou hlavní posloupnosti (main sequence) v závěrečném stádiu vývoje. Jelikož již spotřebovala většinu dostupného vodíkového paliva, je na cestě stát se rudým obrem (red giant).

[2] V současnosti probíhá rozsáhlá přehlídka 25 kulových hvězdokup patřících k naší Galaxii s pomocí přístroje MUSE a podporou konsorcia MUSE. Astronomům přinese rozsáhlý katalog spekter hvězd (600 až 27 000 pro každou sledovanou hvězdokupu). V rámci výzkumu bude prováděna také analýza radiálních rychlostí jednotlivých hvězd – tedy rychlostí, jakými se stálice pohybují k nám nebo od nás. Na základě informace o radiální rychlosti je možné spočítat dráhy hvězd a také vlastnosti hmotných objektů, kolem kterých případně obíhají.

[3] Vzhledem k tomu, že v kulových hvězdokupách neprobíhá tvorba hvězd, staly se černé díry hvězdných hmotností brzy nejhmotnějšími objekty, které zde můžeme najít. Obecně jsou černé díry v kulových hvězdokupách asi čtyřikrát hmotnější než okolní hvězdy. Současné teorie dospěly k závěru, že černé díry vznikají v hustém jádře hvězdokupy, které se následně oddělí od zbytku hmoty hvězdokupy. Předpokládá se, že pohyby objektů v jádře následně vedou k vyvržení černých děr a po miliardách let by jich zde mělo zůstávat jen málo.

[4] Černé díry o hvězdné hmotnosti – někdy označované jako kolapsary (collapsars) – vznikají v závěrečné fázi vývoje hmotné hvězdy, která kolabuje silou vlastní gravitace a exploduje jako silná supernova (hypernova). Pozůstatkem tohoto procesu je černá díra, kterou tvoří většina hmoty původní hvězdy. Její hmotnost se tak může pohybovat od několika Sluncí po několik desítek Sluncí.

[5] Jelikož černé díry – díky enormní gravitaci – nemůže opustit žádné světlo, je primární metodou jejich detekce pozorování v rádiovém a rentgenovém oboru elektromagnetického záření. To pochází z horké hmoty, která černou díru obklopuje. Pokud však černá díra s hmotou nijak neinteraguje a neakumuluje ji, pak ani nezáří, jako v tomto případě. Proto je černá díra označována jako neaktivní a neviditelná. V takovém případě je pro její nalezení potřeba použít jiné metody.

[6] Protože nezářící objekt v binárním systému nelze přímo pozorovat, je zde ještě jiné možné vysvětlení (ačkoliv mnohem méně přesvědčivé). Mohlo by se jednat o trojhvězdný systém, který tvoří dvě těsně vázané neuronové hvězdy, kolem kterých obíhá pozorovaná hvězda. Tato varianta však vyžaduje, aby obě těsně vázané hvězdy měly hmotnost alespoň dvou Sluncí, a takový dvojhvězdný systém dosud nebyl pozorován.

Další informace

Výzkum byl prezentován v článku “A detached stellar-mass black hole candidate in the globular cluster NGC 3201” autorů B. Giesers a kol., který byl zveřejněn ve vědeckém časopise Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Složení týmu: Benjamin Giesers (Georg-August-Universität Göttingen, Německo), Stefan Dreizler (Georg-August-Universität Göttingen, Německo), Tim-Oliver Husser (Georg-August-Universität Göttingen, Německo), Sebastian Kamann (Georg-August-Universität Göttingen, Německo; Liverpool John Moores University, Liverpool, SK), Guillem Anglada Escudé (Queen Mary University of London, SK), Jarle Brinchmann (Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, Nizozemí; Universidade do Porto, CAUP, Porto, Portugalsko), C. Marcella Carollo (Swiss Federal Institute of Technology, ETH, Zurich, Švýcarsko), Martin M. Roth (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Německo), Peter M. Weilbacher (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Německo) a Lutz Wisotzki (Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam, Potsdam, Německo).

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile and by Australia as a strategic partner. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope and its world-leading Very Large Telescope Interferometer as well as two survey telescopes, VISTA working in the infrared and the visible-light VLT Survey Telescope. ESO is also a major partner in two facilities on Chajnantor, APEX and ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre Extremely Large Telescope, the ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Odkazy

• Vědecký článek
• Informace o přístroji MUSE
• Snímky dalekohledu VLT

Kontakty

Viktor Votruba; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: votruba@physics.muni.cz

Jiří Srba; překlad; Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o., Česká republika; Email: jsrba@astrovm.cz

Benjamin Giesers; Georg-August-Universität Göttingen; Göttigen, Germany; Email: giesers@astro.physik.uni-goettingen.de

Stefan Dreizler; Georg-August-Universität Göttingen; Göttigen, Germany; Email: dreizler@astro.physik.uni-goettingen.de

Richard Hook; ESO Public Information Officer; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 3200 6655; Mobil: +49 151 1537 3591; Email: rhook@eso.org

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Tisková zpráva ESO1802