Jedna z nejnaléhavějších otázek v astronomii se týká černých děr. Víme, že masivní hvězdy, které explodují jako supernovy, mohou zanechat černé díry s hmotou hvězdy jako zbytky. A astrofyzikové tomuto procesu rozumí. Ale co supermasivní černé díry (SMBH) jako Sagittarius A-star (Sgr A*,) v srdci Mléčné dráhy?
SMBH mohou mít miliardu slunečních hmotností. Jak to, že jsou tak velké?
Skupina vědců z Harvardského centra pro astrofyziku se snaží vnést trochu světla do této otázky. Vytvořili simulaci jako součást iniciativy Black Hole Initiative (BHI), interdisciplinárního úsilí na Harvardu s cílem posunout porozumění černým dírám.
Klíčovou otázkou je, jak černé díry rostou? Je to prostřednictvím akrece nebo fúzí? Vypadá to, že odpověď zní: „Oba. Tak nějak.'
'Černé díry mohou růst dvěma způsoby.'
Dr. Fabio Pacucci, Harvardské centrum pro astrofyziku
Dvojice vědců vyvinula nový teoretický model, který má odpovědět na otázku černé díry. Jsou to Dr. Avi Loeb, profesor na Harvardu, a Dr. Fabio Pacucci, astrofyzik CfA. Oba jsou zapojeni do BHI. Jejich model pokrývá místní vesmír až do rudého posuvu 10, tedy zhruba od současnosti do doby asi před 13 miliardami let.
Podle jejich simulace ovlivňují růst černých děr dva faktory: jejich hmotnost a jejich červený posuv .
Nová simulace ukazuje, že blízko nás rostou malé černé díry většinou akrecí, zatímco velké černé díry rostou sloučením. Ale ve vzdáleném vesmíru je opak pravdou: malé černé díry rostou slučováním, zatímco velké rostou akrecí.
Nová simulace růstu černých děr ukazuje různé způsoby, jak rostou v různých scénářích. V blízkém vesmíru rostou malé černé díry akrecí, zatímco velké rostou prostřednictvím sloučení. Ve vzdáleném vesmíru je opak pravdou: malé rostou prostřednictvím sloučení, zatímco velké rostou prostřednictvím narůstání. Obrazový kredit: Kredit: M. Weiss
V tisková zpráva , Pacucci to vysvětlil takto: „Černé díry mohou růst dvěma způsoby. Mohou nahromadit hmotu z prostoru kolem sebe nebo se mohou vzájemně spojit a vytvořit jednu masivnější černou díru,“ řekl Pacucci. 'V současné době věříme, že první černé díry se začaly tvořit přibližně s první populací hvězd, před více než 13,5 miliardami let.'
'Pochopení toho, jak se černé díry formovaly, rostly a vyvíjely společně s galaxiemi, je zásadní pro naše chápání a znalosti vesmíru a díky této studii máme další dílek skládačky.'
Dr. Fabio Pacucci, Harvardské centrum pro astrofyziku
Ale to je jen začátek odpovědi. Je toho víc.
Tato odpověď podrobně nevysvětluje, jak se dostaneme od těchto menších „zárodkových“ černých děr k masivním monstrózám v srdci většiny – nebo všech – galaxií: supermasivním černým dírám.
Pacucci má co říci: „Jejich historii můžeme omezit nejen detekcí světla, ale také gravitačními vlnami, vlněním v časoprostoru, které vytváří jejich sloučení.“
Černá díra není nic ke kýchnutí. Když se dvě z těchto příšer spojí, vysílají gravitační vlny, dlouho teoretizované zakřivení v časoprostoru, které byly nakonec detekovány. před čtyřmi lety .
Práce Pacucciho a Loeba také spočívá na předchozích studiích černých děr, které ukazují, že černé díry, které rostou akrecí, jsou jasnější než ty, které rostou díky sloučení. Je to proto, že při narůstání hmoty se hmota otáčí kolem otvoru v akrečním disku. Tím se materiál zahřívá, což způsobuje, že vyzařuje záření.
Ilustrace supermasivní černé díry ve středu Mléčné dráhy, obklopené jejím rotujícím akrečním diskem. Kredit: NRAO/AUI/NSF
„Jelikož rychlost rotace neboli rotace zásadně ovlivňuje způsob, jakým oblast kolem černé díry svítí, studium hlavní modality růstu černých děr nám pomáhá poskytnout jasnější obrázek o tom, jak jasné mohou být tyto zdroje. Už víme, že hmota padá k horizontu událostí černých děr a jak se zrychluje, také se zahřívá a tento plyn začíná vyzařovat záření,“ řekl Pacucci.
„Čím více hmoty černá díra naroste, tím jasnější bude; proto jsme schopni pozorovat vzdálené objekty, jako jsou supermasivní černé díry,“ pokračoval Pacucci. 'Jsou miliardkrát hmotnější než Slunce a jsou schopny vyzařovat obrovské množství záření, takže je můžeme pozorovat i ze vzdálenosti miliard světelných let.'
Ale i když se černá díra nachází v oblasti bez hmoty, která může krmit její akreční disk, stále může růst prostřednictvím slučování galaxií. Spíše než zvýšení jasu způsobuje sloučení černých děr gravitační vlny.
Další ústřední otázka, pokud jde o černé díry, se týká SMBH v centru galaxií. 'Věříme, že každá galaxie obsahuje ve svém středu masivní černou díru, která reguluje tvorbu hvězd v jejich hostiteli,' řekl Pacucci. 'Pochopení toho, jak se černé díry formovaly, rostly a vyvíjely společně s galaxiemi, je zásadní pro naše chápání a znalosti vesmíru a díky této studii máme další dílek skládačky.'
Umělcův dojem sloučení binárních černých děr. V únoru 2016 LIGO poprvé detekovalo gravitační vlny. Jak ukazuje ilustrace tohoto umělce, gravitační vlny byly vytvořeny sloučením černých děr. Třetí právě oznámená detekce byla také vytvořena, když se dvě černé díry spojily. Kredit: LIGO/A. Simonnet.
Je snadné být skeptický k modelům a jejich hodnotě. Ale vědecké modelování je při plánování zásadní. V tomto případě poskytuje teoretický rámec, který lze dále zkoumat, a také poskytuje určitý návod, jak pozorovat věci v budoucnu. A tento model již byl částečně testován s dobrými výsledky.
'Už jsme testovali náš model s daty z blízkých černých děr a získali jsme velmi povzbudivé výsledky,' řekl Pacucci. „Naším cílem v této studii bylo poskytnout vědecké komunitě teorii, která popisuje, jak mohly černé díry vyrůst během vývoje vesmíru. To bude informovat o rozhodnutích týkajících se pozorovacích strategií s budoucími vesmírnými dalekohledy a také položí základ pro modely, které popisují další aspekty vývoje vesmíru.
Jedním z těchto budoucích vesmírných dalekohledů je LISA – the Laserová interferometrová vesmírná anténa . LISA je mise Evropské vesmírné agentury (ESA) určená k detekci a měření gravitačních vln. LISA bude systém tří kosmických lodí, které tvoří trojúhelník, s každou stranou dlouhou 2,5 milionu km (1,55 milionu mil). Vzdálenost mezi těmito třemi bude přesně řízena. Jakékoli gravitační vlny by byly detekovány lasery, které tvoří strany trojúhelníku.
Ilustrace kosmické lodi LISA ESA, navržené k detekci gravitačních vln ze sloučení černých děr a dalších událostí. Obrazový kredit: NASA – NASA, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10372273
Budoucnost je v oblasti černých děr jasná. Vědci odhalují stále více fúzí. The Horizontální dalekohled událostí nedávno poprvé na snímku. Nakonec lépe porozumíme tomu, jakou roli hrají SMBH při formování hvězd v jejich galaxiích. Můžeme také lépe porozumět tomu, jak se spojují a jak rostou, aby byly tak masivní.
Loeb je také optimistický ohledně budoucnosti. „Ve vesmírných jeslích černých děr nalézáme překvapivě velká ‚děti‘, ale během nadcházejících desetiletí zjistíme, kdo byli jejich rodiče.“
Více:
- Tisková zpráva: Vědci vrhli světlo na růst černých děr
- Vesmír dnes: Čekání je téměř u konce. 10. dubna konečně uvidíme snímek horizontu událostí černé díry
- Vesmír dnes: Objevené gravitační vlny: Nové okno do vesmíru