Úvodní strana  >  Články  >  Vzdálený vesmír  >  Výzkumy v AsÚ AV ČR (151): Jak zvážit černou díru na základě jasnosti záblesků a průběhu jejich zjasnění?

Výzkumy v AsÚ AV ČR (151): Jak zvážit černou díru na základě jasnosti záblesků a průběhu jejich zjasnění?

Rentgenový snímek centra Mléčné dráhy z družice Chandra zobrazený ve falešných barvách. Jasný bodový objekt v centru obrázku reprezentuje mohutný rentgenový záblesk, který zde proběhl v roce 2012.
Autor: © NASA/MIT

Černé díry jsou exotickými kosmickými objekty, o nichž je s pomocí dalekohledů – pro astronomy nejobvyklejšího pracovního „nástroje“ – prakticky nemožné získat přímé informace svědčících o jejich fyzikálních vlastnostech. Ke „zvážení“ a „změření“ černých děr je tak nutné využít metod nepřímých. Vladimír Karas a jeho spolupracovníci jak z ASU tak z jiných světových ústavů ukázali, že získat hmotnost černé díry je možné jen na základě studia rentgenových záblesků, požírá-li tato díra látku ze svého okolí.

Černé díry ovlivňují své okolí působením prostřednictvím gravitačních a elektromagnetických sil. Jako objekty jsou však plně určeny až překvapivě malým množstvím parametrů, zejména pak svou hmotností a momentem hybnosti. Mohou být také nositelkami elektrického náboje, nicméně pozorování i teoretické úvahy ukazují, že jeho efekt je v porovnání s efektem hmotnosti nebo momentu hybnosti jen nepatrný.

V minulosti se objevilo několik metod, jak hmotnost černé díry odhadnout, a byly aplikovány zejména na případ černých veleděr v jádrech galaxií. Zajímavou možnost pak naskytují takové černé veledíry, u nichž probíhá akrece okolního materiálu, což je spojováno se vznikem rentgenového záření. Taková jádra označíme za aktivní v rozšířeném slova smyslu. Z časové proměnnosti světelných křivek takových objektů je možné odvodit hmotnost centrálního akreujícího objektu.

Celá metodika, shrnovaná Vladimírem Karasem v přehledovém článku vycházejícím z příspěvku prezentovaném na výročním konferenci zaměřené na obecnou teorii relativity, využívá vlivu efektů obecné teorie relativity na fotony v blízkosti silných gravitačních polí. Autoři numericky řešili problém tzv. nulové geodetiky, tedy nejkratší dráhy fotonu (nebo obecně nehmotné částice pohybující se rychlostí světla) v gravitačním poli objektu.

Tyto efekty jsou dobře patrné zejména na modelu světelné skvrny obíhající v blízkosti silně gravitujícího objektu. Hlavní parametry modelu jsou tři: radiální vzdálenost skvrny od černé veledíry, zorný úhel vzdáleného pozorovatele a parametr popisující rotaci černé díry – spin. Ve světelné křivce takového modelu lze odlišit dva vrcholy za každý oběh skvrny. První je vrchol ve fázi přibližně 0,7 na přibližující se části trajektorie vůči vzdálenému pozorovateli, tento vrcholek je důsledkem zpožděného příletu fotonů a je zesílen relativistickým Dopplerovým jevem. Druhý vrcholek je pak ve fázi kolem 0,5 a jeho původ je v ohybu světla vzdálené skvrny v poloze horní konjunkce vůči pozorovateli. V některých geometrických situacích je pozorovatelný pouze jeden vrcholek, výskyt a relativní výška obou vrcholů tak závisí na parametrech modelu. Obíhá-li skvrna velmi blízko černé díry, oba vrcholky prakticky splývají, je-li na vzdálenější trajektorii, jsou oba vrcholy dobře rozlišitelné a často je dělí i čtvrtina periody. Charakter profilu světelné křivky tak v sobě nese informaci o vlastnostech centrální černé díry.

Naznačený postup je třeba řešit numericky, V. Karas a jeho kolegové ale poukazují, že určitou informaci lze získat i s pomocí semi-analytického přístupu. S jejich pomocí dokážeme získat vztahy, které lze použít pro jednoduché a praktické odhady při analýze dopplerovsky posunutých spektrálních čar pocházejících z blízkosti silně gravitujících objektů. Autoři tuto metodu použili ke studiu nám nejbližší černé veledíry, tedy té v centru naší Galaxie, označované často zkratkou Sgr A*. Historicky byly z této oblasti zaznamenány čtyři obzvlášť výrazné rentgenové záblesky, svědčící pro akreční událost v blízkosti této černé díry. Jednotlivé události jsou tak velmi blízko modelu jasné skvrny popsanému nahoře. Hmotnost centrální černé díry tak lze odhadnout porovnáním modelové doby trvání záblesku s dobou skutečnou. Vzhledem k tomu, že model je vypočten v tzv. geometrických jednotkách, zatímco skutečné a záblesky popisujeme v jednotkách fyzikálních, kalibrační vztah mezi oběma systémy jednotek v sobě obsahuje právě hledanou hmotnost gravitujícího objektu.

Řešení není unikátní, neboť připodobnění reálné a modelové světelné křivky není jednoznačné. Je možné připodobnit různé křivky pro různé modely a pro každou takovou proceduru získat jednu hodnotu předpokládané hmotnosti černé díry. Takto získané hodnoty se pak zpracují statisticky a jako hodnota výsledná se z množiny vypočtených označí ta nejpravděpodobnější (ve statistickém smyslu).
Metodologii se podařilo ověřit na nejbližší černé veledíře, ale autoři poukazují, že i další cíle jsou myslitelné. Tato metoda by tedy v principu mohla umožnit „vážit“ černé díry v centru dalekých galaxií.

REFERENCE

V. Karas, M. Bursa, M. Dovčiak a kol., Super-Massive Black Hole mass estimation from bright flares, WSPC Proceedings, preprint arXiv:1901.06520

KONTAKT

prof. RNDr. Vladimír Karas, DrSc.
vladimir.karas@asu.cas.cz
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR

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

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



O autorovi

Michal Švanda

Michal Švanda

Doc. Mgr. Michal Švanda, Ph. D., (*1980) pochází z městečka Ždírec nad Doubravou na Českomoravské vrchovině, avšak od studií přesídlil do Prahy a jejího okolí. Vystudoval astronomii a astrofyziku na MFF UK, kde poté dokončil též doktorské studium ve stejném oboru. Zabývá se sluneční fyzikou, zejména dynamickým děním ve sluneční atmosféře, podpovrchových vrstvách a helioseismologií a aktivitou jiných hvězd. Pracuje v Astronomickém ústavu Akademie věd ČR v Ondřejově a v Astronomickém ústavu Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze, kde se v roce 2016 habilitoval. V letech 2009-2011 působil v Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung v Katlenburg-Lindau v Německu. Astronomií, zprvu pozorovatelskou, posléze spíše „barovou“, za zabývá od svých deseti let. Před začátkem pracovní kariéry působil v organizačním týmu Letní astronomické expedice na hvězdárně v Úpici, z toho dva roky na pozici hlavního vedoucího. Kromě astronomie se zajímá o letadla, zejména ta s více než jedním motorem a řadou okýnek na každé straně. Více o autorovi na jeho webových stránkách svanda.astronomie.cz.

Štítky: Sgr a*, Astronomický ústav AV ČR


21. vesmírný týden 2022

21. vesmírný týden 2022

Přehled událostí na obloze a v kosmonautice od 23. 5. do 29. 5. 2022. Měsíc bude vidět mezi poslední čtvrtí a novem na ranní obloze. Přidá se tak k ranní přehlídce planet viditelných okem. Slunce pokračuje ve zvýšené aktivitě doprovázené zajímavými skvrnami. Kosmická loď Starliner konečně plní svou bezpilotní zkušební misi a úspěšně zakotvila u ISS. Solar Orbiter pořídil opravdu mimořádně detailní záběry Slunce. Před 60 lety se v lodi Mercury-Aurora 7 vydal na druhý balistický let Američan Malcolm Scott Carpenter.

Další informace »

Česká astrofotografie měsíce

Carina a sopka

Titul Česká astrofotografie měsíce za duben 2022 získal snímek „Carina a sopka“, jehož autorem je Lukáš Veselý Mlhovina Carina, sopečný ostrov La Palma i samotný kráter vulkánu Cumbre Vieja, to vše se vešlo vítězi dubnového kola soutěže Česká astrofotografie měsíce do jednoho fotografického

Další informace »

Poslední čtenářská fotografie

Změna polohy Marsu a Jupiteru před konjunkcí

Dvě fotografie po cca 24 hodinách necelých 9 a 33 hodin před největším přiblížením planet.

Další informace »