Supermasivní černé díry (SMBH) sídlí v centru galaxií, jako je Mléčná dráha. Jsou neuvěřitelně masivní, v rozmezí od 1 milionu do 10 miliard slunečních hmot. Jejich menší bratry, středně hmotné černé díry (IMBH), v rozmezí 100 až 100 000 hmotností Slunce, je těžší najít.
Astronomové zahlédli černou díru střední hmotnosti, která ničí hvězdu, která se dostala příliš blízko. Ze svých pozorování se hodně naučili a doufají, že najdou ještě více těchto černých děr. Pozorování více z nich může vést k pochopení toho, jak se SMBH staly tak masivními.
Když se hvězda dostane příliš blízko k silné černé díře, dojde k události narušení slapu (TDE). Hvězda je roztržena a její složka je vtažena do černé díry, kde se zachytí v díře. akreční disk . Událost uvolňuje obrovské množství energie a přezáří všechny hvězdy v galaxii na měsíce, dokonce roky.
To se stalo s TDE 3XMM J215022.4-055108, který je snadněji známý jako TDE J2150. Astronomové byli schopni zaznamenat nepolapitelný IMBH pouze díky výbuchu rentgenového záření emitovaného horkým plynem z hvězdy, když byla roztržena. J2150 je asi 740 milionů světelných let od Země ve směru souhvězdí Vodnáře. Nyní tým výzkumníků využil pozorování vzdáleného J2150 a existujících vědeckých modelů, aby se dozvěděl více o IMBH.
Své výsledky zveřejnili v článku s názvem „ Omezení hmoty, rotace a ultralehkého bosonu z černé díry se střední hmotou v události narušení přílivu 3XMM J215022.4?055108 .“ Hlavním autorem je Sixiang Wen z University of Arizona. Článek je publikován v The Astrophysical Journal.
'Skutečnost, že jsme byli schopni zachytit tuto neviditelnou černou díru, když požírala hvězdu, nabízí pozoruhodnou příležitost pozorovat to, co by jinak bylo neviditelné.'
Ann Zabludoff, co-author University of Arizona.
IMBH jsou nepolapitelné a obtížně studovatelné. Astronomové jich našli několik v Mléčné dráze a v blízkých galaxiích. Většinou byli spatřeni kvůli jejich aktivním galaktickým jádrům s nízkou svítivostí. V roce 2019 zaznamenaly observatoře gravitačních vln LIGO a Virgo gravitační vlnu ze spojení dvou IMBH. V současné době existuje katalog pouze 305 kandidátů na IMBH, i když si vědci myslí, že by mohli být běžní v galaktických centrech.
Jedním z problémů při jejich pozorování je samotná jejich nízká hmotnost. Zatímco SMBH lze nalézt pozorováním toho, jak jejich hmotnost ovlivňuje hvězdnou dynamiku blízkých hvězd, IMBH jsou obvykle příliš malé na to, aby udělaly totéž. Jejich gravitace není dostatečně silná, aby změnila oběžné dráhy blízkých hvězd.
„Skutečnost, že jsme byli schopni zachytit tuto černou díru, když požírala hvězdu, nabízí pozoruhodnou příležitost pozorovat to, co by jinak bylo neviditelné,“ řekla Ann Zabludoffová, profesorka astronomie v UArizoně a spoluautorka článku. 'Nejen to, že analýzou vzplanutí jsme byli schopni lépe porozumět této nepolapitelné kategorii černých děr, které mohou být zodpovědné za většinu černých děr v centrech galaxií.'
Toto je snímek HST J2150 v bílém kruhu. Nachází se uvnitř husté kupy hvězd asi 740 milionů světelných let daleko. Rentgenové emise z TDE byly použity k nalezení IMBH, ale k určení jeho polohy bylo zapotřebí schopností HST ve viditelném světle. Obrazový kredit: NASA, ESA a D. Lin (University of New Hampshire)
Právě erupce rentgenových paprsků zviditelnila událost. Tým porovnal pozorované rentgenové záření s modely a byl schopen potvrdit přítomnost IMBH. 'Rentgenové emise z vnitřního disku tvořené troskami mrtvé hvězdy nám umožnily odvodit hmotnost a rotaci této černé díry a klasifikovat ji jako přechodnou černou díru,' řekl vedoucí autor Wen.
Toto je poprvé, kdy byla pozorování dostatečně podrobná, aby bylo možné použít vzplanutí TDE k potvrzení přítomnosti IMBH. Je to velký problém, protože i když víme, že SMBH leží ve středu galaxií, jako je Mléčná dráha a větší, naše chápání menších galaxií a jejich IMBH je mnohem omezenější. Jen je opravdu těžké je vidět.
'Stále víme velmi málo o existenci černých děr v centrech galaxií menších než je Mléčná dráha,' řekl spoluautor Peter Jonker z Radboud University a SRON Netherlands Institute for Space Research, oba v Nizozemsku. 'Vzhledem k omezením pozorování je náročné objevit centrální černé díry mnohem menší než 1 milion slunečních hmot.'
Záhada kolem IMBH se připojuje k záhadě kolem SMBH. Můžeme vidět SMBH v srdci velkých galaxií, ale nevíme přesně, jak se staly tak hmotnými. Prošli fúzemi? Možná. Prostřednictvím narůstání hmoty? Možná. Astrofyzici se většinou shodují, že roli mohou hrát oba mechanismy.
Další otázka se týká „semen“ SMBH. Zárodky by mohly být IMBH o desítkách nebo stovkách hmotností Slunce. Samotné IMBH mohly vyrůst z černých děr s hvězdnou hmotností, které přerostly v IMBH akrecí hmoty. Další možností je, že dlouho předtím, než existovaly skutečné hvězdy, existovala velká plynová mračna, která se zhroutila do kvazihvězd, které se pak zhroutily do černých děr. Tyto podivné entity by se zhroutily přímo z kvazihvězdy do černé díry, aniž by se kdy staly hvězdou, a jsou známé jako přímé zhroucení černých děr . Ale to jsou všechno hypotézy a modely. Astrofyzici potřebují více skutečných pozorování, jako v případě TDE J2150, aby cokoli potvrdili nebo vyloučili.
„Pokud tedy lépe pochopíme, kolik v dobré víře existuje středních černých děr, může to pomoci určit, které teorie vzniku supermasivních černých děr jsou správné,“ řekl Jonker.
Ilustrace tohoto umělce znázorňuje to, co astronomové nazývají „přílivová narušení“ neboli TDE, kdy se objekt, jako je hvězda, zatoulá příliš blízko k černé díře a je zničen slapovými silami generovanými intenzivními gravitačními silami černé díry. (Poděkování: NASA/CXC/M.Weiss.
Tým výzkumníků byl také schopen změřit rotaci černé díry, která má důsledky pro růst černých děr a možná také pro fyziku částic. Černá díra se točí rychle, ale netočí se tak rychle, jak je to možné. Nabízí se otázka, jak IMBH dosáhl rychlosti v tomto rozsahu? Točení některé možnosti otevírá a jiné odstraňuje.
'Je možné, že černá díra vznikla tímto způsobem a od té doby se příliš nezměnila, nebo že se dvě středně hmotné černé díry nedávno spojily a vytvořily tuto,' řekl Zabludoff. 'Víme, že rotace, kterou jsme naměřili, vylučuje scénáře, kdy černá díra roste po dlouhou dobu z plynulé konzumace plynu nebo z mnoha rychlých svačin s plynem, které přicházejí z náhodných směrů.'
Rychlost rotace může také vrhnout určité světlo na potenciální kandidáty částic na temnou hmotu. Jedna z hypotéz říká, že temnou hmotu tvoří částice, které v laboratoři nikdy nebyly viděny, nazývané ultralehké bosony. Tyto exotické částice, pokud existují, by měly méně než jednu miliardtinu hmotnosti elektronu. Rychlost rotace IMBH může zabránit existenci těchto kandidátních částic.
'Pokud tyto částice existují a mají hmotnosti v určitém rozmezí, zabrání středně hmotné černé díře v rychlé rotaci,' řekl spoluautor Nicholas Stone. „Přesto se černá díra J2150 rychle točí. Naše měření rotace tedy vylučuje širokou třídu teorií ultralehkých bosonů a ukazuje hodnotu černých děr jako mimozemských laboratoří pro částicovou fyziku.
Tento objev povede k lepšímu pochopení trpasličích galaxií a jejich černých děr. Ale aby se tak stalo, astrofyzici potřebují pozorovat více těchto událostí IMBH slapových poruch.
'Pokud se ukáže, že většina trpasličích galaxií obsahuje černé díry střední hmotnosti, pak budou dominovat rychlosti hvězdného narušení slapu,' řekl Stone. 'Přizpůsobením rentgenové emise z těchto erupcí teoretickým modelům můžeme provést sčítání populace černých děr střední hmotnosti ve vesmíru,' dodal Wen.
Jak už to v astronomii, astrofyzice a kosmologii bývá, budoucí dalekohledy a observatoře by měly výrazně posunout naše znalosti. V tomto, Observatoř Vera C. Rubin mohl hrát roli. Rubin by mohl každý rok objevit tisíce TDE.
Pak se nám možná konečně podaří dát dohromady příběh nejen IMBH, ale i SMBH.
Více:
- Tisková zpráva: Takhle to vypadá, když černá díra snídá hvězdu
- Publikovaný výzkum: Omezení hmotnosti, rotace a ultralehkého bosonu ze středněhmotné černé díry v události přílivového narušení 3XMM J215022.4–055108
- Vesmír dnes: Jak vznikly supermasivní černé díry? Hroutící se svatozáře temné hmoty je mohou vysvětlit
