Materiál, který padá do černé díry, vysílá do vesmíru rentgenové záření. Nyní se poprvé podařilo zmapovat dynamiku nejbližšího okolí černé díry pomocí ozvěn tohoto záření, a to i za přispění českých vědců. Pozorovali ho rentgenovou observatoří XMM-Newton Evropské kosmické agentury (ESA).
Většina černých děr je na obloze příliš malá na to, abychom mohli rozlišit jejich nejbližší okolí. Navzdory tomu dokážeme zkoumat tyto tajemné objekty pozorováním chování hmoty v jejich blízkosti, která do nich postupně padá. Jak se materiál blíží k černé díře, zahřívá se na vysokou teplotu a vyzařuje rentgenové záření. To se pak odráží od nedalekého plynu, s kterým toto záření interaguje. V těsné blízkosti černé díry se prostoročas velmi deformuje působením extrémně silné gravitace.
Pozorování rentgenových ozvěn
Poprvé v historii vědci použili rentgenovou observatoř XMM-Newton, aby pomocí pozorování rentgenových ozvěn zmapovali okolí černé díry v jádře aktivní galaxie. IRAS 13224–3809, hostující galaxie pozorované černé díry, je jeden z nejproměnlivějších zdrojů rentgenového záření na obloze. Tento zdroj prochází velkými a rychlými změnami, kdy se jeho jasnost změní i 50tinásobně v průběhu několik hodin.
William Alston z University of Cambridge, hlavní autor nové studie, přirovnává tyto ozvěny k ozvěně zvuků v různých budovách, kde 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 před tím, než zmizí za horizontem událostí.
Protože jsou pohyb a vlastnosti plynu silně ovlivněny vlastnostmi černé díry, která ho pohlcuje, Alstonovi a jeho kolegům se podařilo také změřit hmotnost a rotaci centrální černé díry pozorované galaxie. Materiál padající do černé díry kolem ní vytváří disk, nad kterým se nachází oblast s velice horkými elektrony s teplotou miliardy stupňů, která se nazývá korona. Zatímco astronomové hledali ozvěny rentgenového záření z korony odražené od disku, aby zmapovali geometrii této oblasti, všimli si něčeho neočekávaného: samotná korona změnila svoji velikost neuvěřitelně rychle, v průběhu několika dní.
„Tak jak korona mění svoji velikost, tak se mění i světelná ozvěna – podobně jak 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 co je ještě lepší - tím, že se korona měnila, jsme mohli získat přesnější hodnoty pro hmotnost a rotaci černé díry,” popisuje William Alston z University of Cambridge.
Česká spolupráce
K analýze dat, která byla pořízena během nejdelšího pozorování akreující černé díry družicí XMM Newton, trvajícího celkem 2 miliony sekund, tedy něco přes 23 dní, přispěli i čeští vědci. Tým Astronomického ústavu Akademie věd ČR vyvinul program, pomocí kterého můžeme efektivně simulovat ozvěny rentgenového záření korony od akrečního disku v blízkosti černých děr. „K výsledkům studie bylo možné dospět jenom za použití tohoto kódu, který je zároveň přesný a dostatečně rychlý pro modelování dat, kdy se musí porovnat předpověď fyzikálního modelu s napozorovanými daty pro různé hodnoty charakterizující systém, např. hmotnost černé díry a její rotace,” upřesňuje Michal Dovčiak, hlavní autor použitého kódu a spoluautor publikované studie za českou část mezinárodního týmu.
Práce A dynamic black hole corona in an active galaxy through X-ray reverberation mapping W. N. Alstona a dalších včetně české spolupráce byla publikována ve vědeckém časopise Nature Astronomy. (23.1.2020)
