Jak změřit rotační rychlost obrovské černé díry?  
Chce to soustředěné úsilí řady teleskopů a příznivé uspořádání dvojice nestejně velkých supermasivních černých děr. U kvasaru OJ287 se to povedlo.

 

Inspirující kvasar OJ287. Kredit: lizard-mantidae / deviantart
Inspirující kvasar OJ287. Kredit: lizard-mantidae / deviantart

Už víme, že ve vesmíru kolem nás v nitru galaxií existují supermasivní černé díry ohromujících velikostí. V jejich případě jsme už tak tak na hranici představivosti, a naše znalosti o nich jsou stále velmi omezené. Vědci se ale nevzdávají a snaží se supermasivním monstrům vyrvat jejich tajemství. Nedávno se to povedlo početnému týmu astronomů a astrofyziků z celé řady zemí, kteří díky soustředěnému úsilí více než dvou tuctů optických teleskopů a americké kosmické rentgenové observatoře SWIFT (Swift Gamma-Ray Burst Mission) dokázali velmi přesně změřit rychlost rotace jedné z největších známých supermasivních černých děr ve vesmíru.

Mauri Valtonen. Kredit: UTU.
Mauri Valtonen. Kredit: UTU.


Tahle obluda o hmotnosti asi 18 miliard Sluncí pohání kvasar OJ287, notně aktivní galaktické jádro typu BL Lacertae z galaxie, která je od nás vzdálená nějakých 3,5 miliard světelných let. Velká přednost kvasaru OJ287 pro badatele spočívala v tom, že leží velmi blízko trasy zdánlivého pohybu Slunce po obloze, tak jak ho vnímáme ze Země. Shodou okolností se právě v této části oblohy intenzivně hledají komety a asteroidy. Proto tady jsou k dispozici fotometrická měření oblohy, které pokrývají více než 100 let historie. Mauri Valtonen z finské Univerzity v Turku a jeho spolupracovníci tyto snímky oblohy detailně analyzovali a zjistili, že kvasar OJ287 vydává kvaziperiodické výtrysky optického záření. Opakují se přibližně jednou za 12 let, a lze je vystopovat až  do roku 1891.

Model systému kvasaru OJ287. Kredit: Gary Poyner, UK.
Model systému kvasaru OJ287. Kredit: Gary Poyner, UK.


Valtonen a spol. si také všimli, že se ve výtryscích záření kvasaru OJ287 neobjevuje jeden, ale hned dva vrcholy intenzity záření. Posléze vytvořili matematický model, podle něhož kvasar OJ287 zahrnuje dvě černé díry nestejné velikosti. Větší z černých děr obtáčí akreční disk a kolem obíhá menší černá díra, jejíž hmotnost badatelé odhadují na 100 milionů Sluncí. Není to tedy zase takový drobeček. Kvasar jako takový září, protože větší supermasivní černá díra pomalu požírá hmotu, která plyne do chřtánu z akrečního disku. Když ale menší z černých děr prochází skrz akreční disk, tam svým průchodem rozžhaví hmotu v části disku natolik, že akreční disk nezáří z jednoho, ale hned ze dvou míst najednou. To způsobuje výkyvy v záření kvasaru. Menší černá díra oběhne tu větší za 12 let. Protože se zřejmě pohybuje po eliptické dráze, která prochází akrečním diskem na dvou místech, tak pozorujeme v záření kvasaru OJ287 dva píky aktivity. 

Uvedený model kvasaru OJ287 rovněž předpokládá, že menší ze dvojice supermasivních černých děr rotuje. Precesní rychlost této menší černé díry závisí především na hmotnostech obou černých děr a na rychlosti rotace větší černé díry. Valtonenův tým využil osm kvalitně proměřených výtrysků záření kvasaru OJ287 a s jejich pomocí velmi přesně změřili precesní rychlost menší černé díry. Badatelé nakonec odvodili hmotnost obou černých děr a rychlost rotace té větší z nich. 
Valtonen a spol. také předpověděli, že k dalšímu výtrysku záření kvasaru OJ287 dojde někdy kolem 25. listopadu 2015. Byla to ambiciózní předpověď, zvlášť když na tento den připadlo i sté výročí Einsteinovy obecné relativity. A předpověď se pěkně vyplnila. Výtrysk záření kvasaru započal 18. listopadu 2015 a trval až do 4 prosince. Tentokrát potěšil spoustu natěšených astrofyziků. Načasování tohoto zatím posledního výtrysku kvasaru umožnilo Valtonenovi a jeho kolegům zjistit, že větší supermasivní černá díra o hmotnosti 18 miliard Sluncí rotuje zhruba třetinovou rychlostí, než jakou ji maximálně dovoluje obecná relativita. Výročí obecné relativity tedy bylo oslaveno velmi důstojně a Einstein měl opět pravdu. Jak se před časem pro OSLA vyjádřil Gabriel Török z Ústavu fyziky Filozoficko-přírodovědecké fakulty Slezské univerzity v Opavě, proměření rotace supermasivních černých děr přináší o těchto vesmírných monstrech cenné informace.

Badatelům se rovněž povedlo poprvé nepřímo potvrdit existenci těsné dvojice supermasivních černých děr, které vyzařují gravitační vlny. Doložili totiž, že systém kvasaru OJ287ztrácí energii ve formě gravitačních vln, podle předpovědi obecné relativity. To je velmi povzbuzující zpráva pro projekty analyzující data z pozorování souborů pulzarů (Pulsar Timing Array). Právě v nich bychom prý mohli brzy objevit gravitační vlny vyzařované těsnými dvojicemi supermasivních černých děr.


Video:  6 of the Largest Objects in the Known Universe


Literatura
Tata Institute of Fundamental Research 10. 3. 2016, Astrophysical Journal 819: L37, Wikipedia (Precession, Pulsar timing array)

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 16.03.2016
Tisk článku

Válka o černé díry - Susskind Leonard
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 498 Kč
cena: 398 Kč
Válka o černé díry
Susskind Leonard

Diskuze:

Nevim co resite

Karel Dohnal,2016-03-18 08:19:32

Nechapu co je na tom tak sloziteho? Staci kdyz zavolate mestaky - oni ji urcite zmeri...

Odpovědět

zajimave

Jakub Beneš,2016-03-17 02:48:19

copak nam to tam v te singularite rotuje? navic, neni to nahodou ziskani informace zevnitr cerne diry? to se nam ten koncept ztraty informaci za horizontem nejak rozpada, vidte.

Odpovědět


Re: zajimave

,2016-03-17 07:10:35

Ano taky si myslím a rozpadá se,rozpadá.

Odpovědět


Re: zajimave

Vojtěch Kocián,2016-03-17 09:46:56

Zatím ani ne. Černá díra má hmotnost, elektrický náboj, hybnost a moment hybnosti. Tyto veličiny vyplývají ze zákonů zachování a jdou měřit i vně horizontu událostí. Rotující černé díry nejsou z hlediska teorie nic nového, jen se na tu vzdálenost dost špatně měří. Singularita ve formě nekonečně hustého bodu uprostřed černé díry existovat nemusí (a u rotující díry ani nemůže) a většinou se jí míní to, o čem nemůžeme získat další informace, což je vše pod horizontem.

Odpovědět


Re: Re: zajimave

Jakub Beneš,2016-03-17 13:51:58

uvedomte si, ze pokud jsou schopny rotovat, rotuji vsechny (na cele skale rychlosti, ale alespon nejakou pomalou rotaci musi mit vsechny.). timpadem neni singularita v zadne? co je tedy cernou dirou? samozrejme ze kolem cerne diry rotuje material. i kdyz projde horizontem, tak pod nim stale rotuje. tuto rotaci tedy zmerili? to ale stale neni cerna dira. nebo podle vas je?

Odpovědět


Re: Re: Re: zajimave

Vojtěch Kocián,2016-03-17 20:14:31

Ano, rotují všechny, jen se to často při výpočtech pro jednoduchost zanedbává. Černou dírou se většinou myslí oblast pod horizontem událostí, proto je možné hovořit třeba o její velikosti. Co je uvnitř, není zcela jasné. Obvykle se předpokládá, že je ve středu nerotující díry nekonečně hustý bod, do kterého nakonec spadne vše, co projde horizontem. U rotující díry je tento bod roztažený do nekonečně tenkého (a tedy pořád nekonečně hustého) prstence. Ten prstenec pak má moment setrvačnosti, který se projeví i navenek strháváním časoprostoru. Teoreticky by mohla černá díra rotovat tak rychle, že by neměla (respektive její horizont událostí by neměl) tvar koule ani zploštělé koule, ale zobecněného anuloidu (pneumatiky). Hmota, které ještě nespadla do singularity, ale už je pod horizontem, samozřejmě rotuje také, ale nemáme jak tyto dvě hodnoty od sebe oddělit, tak je bereme jako celek. Na druhou stranu těžko říct, jestli tam ta singularita opravdu je a není tam nějaká hodně exotická forma hmoty/energie. Rozhodně se nedá říct, že víme vše. Zvlášť o objektech, které můžeme pozorovat zatím jen zprostředkovaně díky interakcím s jinými objekty. Uvidíme, jestli do toho během následujících desetiletí nepromluví studium gravitačních vln.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: zajimave

Stanislav Florian,2016-03-18 11:10:00

To je dobré vysvětlení. Já jsem to laicky chápal tak, že černá díra uvnitř horizontu padá do singulárního bodu. Protože jde o relativistickou rychlost pádu, prodlužuje se vlastní čas, takže pád trvá z hlediska vnitřku černé díry (nekonečně) dlouho. Čili singulární černé díře se trvale přibližuje, ale singulární není.

Odpovědět


Re: Re: zajimave

Jozef Vyskočil,2016-03-18 07:28:07

Rozumiem správne, že ak niečo rotuje, nemôže to byť singularita, pretože tá má nulový polomer?

Odpovědět


Re: zajimave

Marcel Brokát,2016-03-17 10:49:56

asi nepozorně čtu, ale kde se hovoří nebo z čeho vyplývá v článku/videu, že v singularitě něco rotuje?

Odpovědět


Re: Re: zajimave

Jan Simacek,2016-03-17 13:44:53

nemyslim ze to zminuje v clanku, ale obecne se predpoklada ze cerne diry rotuji (padaji do nich objekty s nenulovym uhlovym momentem a co by se s nim stalo?). neni to kompletne bezprecedentni uvaha - v kvantove fyzice se bezne uvazuje uhlovy moment (rotace) bodovych castic oznacovany jako spin. vice napr zde http://physics.stackexchange.com/questions/103232/how-can-a-singularity-in-a-black-hole-rotate-if-its-just-a-point
v nekterych pohledech ( https://en.wikipedia.org/wiki/Kerr_metric ) se uvazuje o singularite rotujici cerne diry ne jako o nekonecne malem bode ale o nekonecne malem prstenci.

Odpovědět


Re: Re: Re: zajimave

Jakub Beneš,2016-03-17 14:11:18

co by se s momentem stalo? je to ciste mechanicka vlastnost. premeni se na jinou formu energie, stejne jako dalsi mechanicke vlastnosti. to neni zadny spor se zakony fyziky. rozhodne se nepremeni na kvantovy spin singularity, at uz bodove nebo kruhove :) tyto dve veliciny spolu nesouvisi.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: zajimave

Vojtěch Kocián,2016-03-17 20:32:41

Hybnost ani moment hybnosti se nemůže přeměnit na energii. Až někdo dokáže, že ano, bude to velký objev srovnatelný s tím, že hmota se může přeměnit na energii. Vlastně větší. Hybnost je vektorová veličina a hmotnost i energie jsou skalární. Tady už toho nesedí vážně moc.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: zajimave

Xavier Vomáčka,2016-03-17 22:28:31

Ano, až se na Zemi bude řítit nějaký macatý asteroid, budu v klidu, jeho vektorová hybnost nám přece nemůže ublížit...

Odpovědět


Re: Jakub Beneš, Xavier Vomáčka

Martin Ondracek,2016-03-18 11:51:20

Nepřestává mě udivovat, s jakou lehkostí se v internetových diskuzích někteří lidé autoritativně vyjadřují k otázkám, o kterých evidentně nemají ahnung ani na úrovni učiva střední školy. Jestli jsou hybnost a moment hybnosti formou energie nebo nejsou je teď asi věc názoru. Ať žije postmoderna!

Odpovědět


Re: Re: Jakub Beneš, Xavier Vomáčka

Hynek Vychodil,2016-03-23 17:57:50

https://imgflip.com/i/11b8kw

Odpovědět


Re: Re: zajimave

Jakub Beneš,2016-03-17 13:58:45

v článku se mluví o rotaci černé díry. a černá díra = singularita. vše kolem, včetně materiálu pod horizontem, do ní pouze padá. takže se ptám, jestli tu rotaci mám chápat jako rotaci oné singularity (na základě čeho?), nebo rotaci materiálu, který do ní padá, což se mi zdá pravděpodobnější.

Odpovědět


Re: Re: Re: zajimave

Marcel Brokát,2016-03-17 15:12:01

Rotační černá díra vzniká kolapsem rotující hvězdy. A rotační moment si černá díra v nějaké kauzální podobě zachová. Točí se tedy celá singularita, tj. hmota černé díry pod horizontem událostí, a má podobu asi trochu zploštělé sféry (koule).

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni