Češi se podíleli na zmapování okolí černé díry, pozorování zabralo 23 dní čistého času

„Většina černých děr je na obloze příliš malá na to, abychom mohli rozlišit jejich nejbližší okolí. Navzdory tomu jsme schopni zkoumat tyto tajemné objekty pozorováním chování hmoty v jejich blízkosti, která do nich postupně padá,“ poznamenal Pavel Suchan z Astronomického ústavu Akademie věd ČR.

Jak se materiál blíží k černé díře, zahřeje se na vysokou teplotu a vyzařuje rentgenové záření, které se odráží od nedalekého plynu, se kterým záření interaguje. V těchto místech v těsné blízkosti díry je prostoročas velmi zdeformován a zakroucen působením extrémně silné gravitace.

Poprvé v historii vědci použili rentgenovou observatoř XMM-Newton, aby pomocí pozorování rentgenových ozvěn zmapovali okolí černé díry v jádru aktivní galaxie.

Právě IRAS 13224–3809, hostující galaxie pozorované černé díry, je jeden z nejproměnlivějších zdrojů rentgenového záření na obloze. Zdroj prochází velkými a rychlými změnami, kdy se jeho jasnost změní i padesátinásobně v průběhu několika hodin.

Hlavní autor nové studie William Alston z britské Univerzity v Cambridgi to přirovnal k ozvěně zvuků v různých budovách, kde kupříkladu zvuk bude znít jinak v učebně a jinak v katedrále. To, jak zní ozvěna, závisí na geometrii místnosti a na materiálech, které se v ní nacházejí.

Podobně se v ozvěnách rentgenového záření, které se šíří v blízkosti černé díry, projeví i geometrie a stav, v jakém je materiál, než zmizí za tzv. horizontem událostí – tedy jakousi hranicí černé díry, ze které se již nejde dostat.

Pohyb a vlastnosti plynu v okolí černé díry silně ovlivňují vlastnosti oné díry, která plyn pohlcuje. Alstonovi a kolegům se i díky tomu podařilo změřit hmotnost a rotaci centrální černé díry pozorované galaxie.

„Hmotnost je asi jako 1,9 milionu hmotností Sluncí. Jedná se o silně rotující supermasivní černou díru,” řekl Novinkám Michal Dovčiak z Astronomického ústavu AV ČR.

Materiál padající do díry kolem ní vytváří disk, nad kterým je oblast s horkými elektrony s teplotou miliardy stupňů, která se nazývá korona. Když astronomové hledali ozvěny rentgenového záření z korony odražené od disku, aby zmapovali geometrii oblasti, všimli si něčeho nečekaného: samotná korona změnila svoji velikost neuvěřitelně rychle, v průběhu několika dní.

„Jak korona mění svoji velikost, tak se mění i světelná ozvěna – podobně jako by se měnila ozvěna hlasu v katedrále, kdyby se její strop pohyboval nahoru a dolů. Pozorováním změn v ozvěně jsme byli schopni pozorovat změny samotné korony. A tím, že se korona měnila, jsme mohli získat přesnější hodnoty pro hmotnost a rotaci,” popsal Alston.

K analýze dat, která byla pořízena během nejdelšího pozorování akreující (formující se vlivem připojování dalších těles) černé díry družicí XMM Newton, trvajícího čistého času dva miliony sekund, tedy něco přes 23 dní, přispěli i Češi. (Pozorování bylo podle Dovčiaka rozprostřeno do 30 dní, netrvalo 24 hodin denně.)

Tým ondřejovského astronomického ústavu vyvinul program, pomocí kterého můžeme simulovat ozvěny rentgenového záření korony od akrečního disku v blízkosti černých děr.

„K výsledkům studie bylo možné dospět jen za použití našeho kódu, který je přesný a dostatečně rychlý pro modelování dat, kdy se musí porovnat předpověď fyzikálního modelu s napozorovanými daty,“ upřesnil Dovčiak, hlavní autor použitého kódu a spoluautor studie za českou část týmu.

Po loňském prvním radiovém snímku okolí černé díry ve středu galaxie M87 pořízeném teleskopem Event Horizon Telescope (EHT) jde tak podle Suchana o další způsob, jak pozorovat těsné okolí černé díry.

Charakteristika blízkého okolí černých děr je také jedním z hlavních cílů družice Athena, kterou plánuje ESA vypustit počátkem příštího desetiletí.