Výzkumy v AsÚ AV ČR (102): Jak zvážit černou veledíru pomocí rentgenových záblesků

Hmotnost černé veledíry v centru naší Galaxie je dnes poměrně spolehlivě určena na základě přímých pozorování oběhů jasných hvězd v její bezprostřední blízkosti. U jiných galaxií však pro jejich velkou vzdálenost tento luxus nemáme a v odhadech hmotností jejich jader se musejí astronomové spolehnout na jiné metody. Michal Bursa a další pracovníci Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU byli u vývoje slibné metodiky, která umožní na dálku zvážit černé veledíry za pomoci rentgenových záblesků. 

Obecně se soudí, že v jádru každé velké galaxie se černá veledíra nachází. O její existenci víme většinou nepřímo. Například: je-li tato černá veledíra obklopena plynem, tento materiál může do nenasytného chřtánu padat a součástí tohoto procesu je i uvolnění velmi intenzivního rentgenového záření. V závislosti na vlastnostech bezprostředního okolí této veledíry může být proces akrece zdrojem záření trvale, nebo pouze epizodicky.

Druhá varianta je i případ nám nejbližší černé veledíry v centru naší Galaxie, jež je polohově ztotožňována s rádiovým zdrojem Sgr A*. Oblast je aktivní v různých oblastech spektra, ovšem v té rentgenové, která svědčí o bezprostředně probíhající akreci, je aktivita značně sporadická. Zatímco záblesky v infračervené oblasti spektra jsou takříkajíc na denním pořádku a vyskytuje se jich tak pět až deset denně, rentgenový záblesk se ukáže za den sotva jeden. 

Tým, v němž se uplatnili i čtyři pracovníci Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU, navrhuje využít světelných křivek těchto záblesků k odhadu hmotnosti černé díry. Autoři si totiž uvědomili, že charakter světelné křivky, který má typicky tvar se dvěma maximy, je především důsledkem relativistických jevů, kdy se fotony pohybují od svého zdroje k pozorovateli v poli silné gravitace, která jejich dráhy zakřivuje. Relativistické jevy jsou  velmi dobře popsatelné rovnicemi obecné teorie relativity, v nichž hlavní roli přirozeně hraje hmotnost gravitujícího objektu.

Pozorování  naznačují, že zdrojem rentgenových záblesků je velmi omezená oblast v těsném okolí veledíry a že záblesky lze věrohodně modelovat tzv. přiblížením horkou skvrnou. Tato skvrna je popsána jen třemi parametry – velikostí, vzdáleností od černé díry a sklonem oběžné dráhy. Autoři nejprve napočítali celou síť modelů s nejrůznějšími parametry, aby studovali citlivost simulovaných pozorování na hodnoty jednotlivých parametrů. Ukazuje se například, že na tvar světelné křivky má velikost horké skvrny jen malý efekt, mnohem důležitější je například vzdálenost skvrny od gravitačního centra. 

Simulace horké zářící skvrny obíhající okolo (na obrázku neviditelné) černé díry. Změny jasnosti, tvaru a rychlosti oběhu skvrny jsou způsobeny efekty obecné teorie relativity, především zakřivením drah světelných paprsků a Dopplerovým jevem. Na obrázku dole je skvrna (označená šipkou) vidět nad plynným diskem okolo černé díry. Autor: Michal Bursa

Navržený model poté fitovali na světelné křivky čtyř nejjasnějších rentgenových záblesků. Autorům nešlo o přesnost reprodukce světelných křivek, neboť si uvědomovali relativní jednoduchost a omezenost modelu. Proto do dalšího zpracování zahrnuli modely se všemi hodnotami parametrů, které světelnou křivku reprezentovaly rozumně. Hodnotu parametru hmotnosti černé veledíry poté určili statisticky jako medián možných. A výsledek? Hmotnost veledíry vychází na 3,94 milionů slunečních hmot s nejistotou přibližně jednoho milionu. Docela dobrý soulad s hmotností určenou z pohybů blízkých hvězd, která činí 4,02±0,17 milionu hmotností Slunce. 

Síla metody však není ve vážení černé veledíry v centru naší Galaxie, neboť zde jsou zjevně k dispozici jiné metody, které přinášejí přesnější výsledky. U vzdálených galaxií však jednotlivé hvězdy v jejich jádrech rozlišit nelze a světelné křivky rentgenových záblesků jsou tak možná tím jediným, co k rozumnému odhadu hmotnosti povede. Autoři se zaměřili i na doplňkový materiál – rentgenový záblesk zdroje RE J1034+396, což je Seyfertova galaxie typu I. Model napasovali na publikovanou světelnou křivku a stejná metodika říká, že hmotnost černé veledíry v této galaxii je 1,4 milionu sluncí. Předchozí odhady na základě jiných nepřímých metod se pohybují zhruba mezi 0,5 a 50 miliony

Potenciál metody, u níž jsou i autoři z ASU, je tedy obrovský. Je jen otázkou času, než bude aplikována i na další pozorování, snad z budoucích kosmických misí. 

REFERENCE

Karssen, G. D., Bursa, M. a kol., Bright X-ray flares from Sgr A*, Monthly Notices of Royal Astronomical Society 472 (2017) 4422, preprint arXiv:1709.09896

KONTAKT

Mgr. Michal Bursa, Ph. D.
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR
Email: bursa@astro.cas.cz

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.